Proses metabolisme utama adalah anabolisme (asimilasi) dan katabolisme (dissimilasi).

Anabolisme, atau asimilasi (dari bahasa Latin asimilasi - asimilasi), adalah proses endotermik asimilasi zat yang memasuki sel ke zat sel itu sendiri. Ini adalah metabolisme "kreatif".

Momen asimilasi yang paling penting adalah sintesis protein dan asam nukleat. Kasus khusus anabolisme adalah fotosintesis, yang merupakan proses biologis di mana bahan organik disintesis dari air, karbon dioksida, dan garam anorganik di bawah pengaruh energi radiasi matahari. Fotosintesis pada tumbuhan hijau adalah jenis pertukaran autotrofik.

Katabolisme, atau disimilasi (dari bahasa Latin dissimilis - dissimilasi), adalah proses eksotermik di mana pembubaran terjadi.

jatuhnya zat dengan pelepasan energi. Kerusakan ini terjadi sebagai akibat dari pencernaan dan respirasi. Pencernaan adalah proses memecah molekul besar menjadi molekul yang lebih kecil, sedangkan respirasi adalah proses katabolisme oksidatif gula sederhana, gliserol, asam lemak dan asam amino deaminasi, yang menghasilkan pelepasan energi kimia vital. Energi ini digunakan untuk mengisi kembali cadangan adenositrifosfat (ATP), yang berfungsi sebagai donor langsung (sumber) energi seluler, "mata uang" energi universal dalam sistem biologis. Pengisian ATP disediakan oleh reaksi fosfat (P) dengan adenosin difosfat (ADP), yaitu:

Ketika ATP dipecah menjadi ADP dan fosfat, energi sel dilepaskan dan digunakan untuk bekerja di dalam sel. ATP adalah nukleotida yang terdiri dari residu adenin, ribosa dan trifosfat (gugus trifosfat), sedangkan adenosin difosfat (ADP) hanya memiliki dua gugus. Kekayaan energi ATP ditentukan oleh fakta bahwa komponen trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida. Energi ATP melebihi energi ADP sebesar 7000 kkal / mol. Energi ini menyediakan semua reaksi biosintetik dalam sel sebagai hasil hidrolisis ATP menjadi ADP dan fosfat anorganik. Jadi, siklus ATP - ADP adalah mekanisme utama pertukaran energi dalam sistem kehidupan. Seperti yang Anda lihat, asimilasi, disimilasi, dan fotosintesis dikaitkan dengan energi. Energi diperlukan untuk pengangkutan molekul dan ion, untuk sintesis biomolekul dari prekursor sederhana, untuk transformasi kerja mekanis menjadi gerakan seluler.

Bagi makhluk hidup, sumber energi utama adalah radiasi matahari, khususnya cahaya tampak, yang terdiri dari energi gelombang elektromagnetik yang terjadi dalam satuan-satuan diskrit yang disebut foton atau kuanta cahaya. Beberapa makhluk hidup mampu menangkap energi cahaya, sementara yang lain menerima energi sebagai hasil dari oksidasi zat makanan.

Energi cahaya tampak ditangkap oleh tanaman hijau dalam proses fotosintesis, yang dilakukan di kloroplas sel mereka. Melalui fotosintesis, makhluk hidup menciptakan keteraturan dari ketidakteraturan, dan energi cahaya diubah menjadi energi kimia yang tersimpan dalam karbohidrat, yang merupakan produk fotosintesis. Dengan demikian, organisme fotosintesis mengekstrak energi bebas dari sinar matahari. Akibatnya, sel-sel tumbuhan hijau memiliki kandungan energi bebas yang tinggi.

Organisme hewan menerima energi yang sudah disimpan dalam karbohidrat melalui makanan. Akibatnya, mereka berkontribusi pada peningkatan entropi lingkungan. Dalam mitokondria sel-sel organisme ini, energi yang tersimpan dalam karbohidrat diubah menjadi bentuk energi bebas, cocok untuk sintesis molekul zat lain, serta untuk memastikan kerja mekanis, listrik, dan osmotik sel. Pelepasan energi yang tersimpan dalam karbohidrat dilakukan sebagai hasil dari respirasi - aerobik dan anaerobik. Selama respirasi aerobik, pemecahan molekul yang mengandung energi yang tersimpan terjadi melalui glikolisis dan dalam siklus Krebs. Dalam respirasi anaerob, hanya glikolisis yang bekerja. Dengan demikian, aktivitas vital sel-sel organisme hewan disediakan terutama oleh energi, yang sumbernya adalah reaksi oksidasi-reduksi "bahan bakar" (glukosa dan asam lemak), di mana ada transfer elektron dari satu senyawa ( oksidasi) ke yang lain (reduksi). Transfer energi dari reaksi kimia yang memberikan energi ke proses - konsumen energi - dilakukan dengan bantuan ATP.

Tubuh adalah sistem kimia yang mengatur diri sendiri dan terbuka yang mempertahankan dan mereplikasi dirinya sendiri melalui penggunaan energi yang dihasilkan oleh matahari. Terus menerus menyerap energi dan zat, kehidupan tidak "berusaha" untuk keseimbangan antara keteraturan dan ketidakteraturan, antara organisasi molekul tinggi dan disorganisasi. Sebaliknya, makhluk hidup dicirikan oleh keteraturan baik dalam struktur dan fungsinya, dan dalam transformasi dan penggunaan energi oleh mereka.

Proses metabolisme materi dan energi tunduk pada regulasi, dan ada banyak mekanisme regulasi, yang paling terkenal adalah mengontrol jumlah dan aktivitas enzim. Dalam pengaturan metabolisme dan energi, juga penting bahwa jalur metabolisme sintesis dan pembusukan hampir selalu dipisahkan, dan pada eukariota disosiasi ini ditingkatkan oleh kompartementalisasi sel.

Pelajaran praktis nomor 15.

Tugas untuk pelajaran nomor 15.

Topik: PERTUKARAN ENERGI.

Relevansi topik.

Oksidasi biologis adalah serangkaian proses enzimatik yang terjadi di setiap sel, sebagai akibatnya molekul karbohidrat, lemak, dan asam amino dipecah, pada akhirnya, menjadi karbon dioksida dan air, dan energi yang dilepaskan disimpan oleh sel dalam bentuk dari adenosine triphosphoric acid (ATP) kemudian digunakan dalam kehidupan tubuh ( biosintesis molekul, proses pembelahan sel, kontraksi otot, transpor aktif, produksi panas, dll). Dokter harus mewaspadai adanya kondisi hipoenergi, di mana sintesis ATP menurun. Pada saat yang sama, semua proses vital menderita, yang dilanjutkan dengan penggunaan energi yang tersimpan dalam bentuk ikatan ATP berenergi tinggi. Penyebab paling umum dari keadaan hipoenergi adalah hipoksia jaringan terkait dengan penurunan konsentrasi oksigen di udara, gangguan sistem kardiovaskular dan pernapasan, anemia dari berbagai asal. Selain itu, keadaan hipoenergi dapat disebabkan oleh: hipovitaminosis terkait dengan pelanggaran keadaan struktural dan fungsional sistem enzim yang terlibat dalam proses oksidasi biologis, serta kelaparan, yang menyebabkan tidak adanya substrat respirasi jaringan. Selain itu, dalam proses oksidasi biologis, spesies oksigen reaktif terbentuk, yang memicu proses peroksidasi lipid membran biologis. Penting untuk mengetahui mekanisme pertahanan tubuh terhadap bentuk-bentuk ini (enzim, obat-obatan, yang memiliki efek menstabilkan membran - antioksidan).

Tujuan pendidikan dan pendidikan:

Tujuan umum pelajaran: untuk menanamkan pengetahuan tentang jalannya oksidasi biologis, yang menghasilkan hingga 70-8% energi dalam bentuk ATP, serta tentang pembentukan spesies oksigen reaktif dan mereka efek merusak pada tubuh.

Tujuan pribadi: untuk dapat menentukan peroksidase dalam lobak, kentang; aktivitas otot suksinat dehidrogenase.

1. Kontrol masuk pengetahuan:

1.1. Tes.

1.2. Survei lisan.

2. Pertanyaan utama dari topik:

2.1. Konsep metabolisme. Proses anabolik dan katabolik dan hubungannya.

2.2. senyawa makroergik. ATP adalah akumulator serbaguna dan sumber energi dalam tubuh. siklus ATP-ADP. Muatan energi sel.

2.3. Tahapan metabolisme. Oksidasi biologis (respirasi jaringan). Fitur oksidasi biologis.

2.4. Akseptor utama proton dan elektron hidrogen.

2.5. Organisasi rantai pernapasan. Pembawa rantai pernapasan (CPE).

2.6. Fosforilasi oksidatif ADP. Mekanisme konjugasi oksidasi dan fosforilasi. Koefisien fosforilasi oksidatif (P/O).

2.7. Kontrol pernapasan. Disosiasi respirasi (oksidasi) dan fosforilasi (oksidasi bebas).

2.8. Pembentukan bentuk toksik oksigen dalam CPE dan netralisasi hidrogen peroksida oleh enzim peroksidase.

Laboratorium dan kerja praktek.

3.1. Metode untuk penentuan peroksidase dalam lobak.

3.2. Metode untuk penentuan peroksidase dalam kentang.

3.3. Penentuan aktivitas suksinat dehidrogenase otot dan penghambatan kompetitif aktivitasnya.

Kontrol keluaran.

4.1. Tes.

4.2. Tugas situasional.

5. Sastra:

5.1. Bahan kuliah.

5.2. Nikolaev A.Ya. Kimia biologi.-M.: Sekolah tinggi, 1989., hlm. 199-212, 223-228.

5.3. Berezov T.T., Korovkin B.F. Kimia biologi. - M.: Kedokteran, 1990, hlm. 224-225.

5.4. Kushmanova O.D., Ivchenko G.M. Panduan untuk latihan praktis dalam biokimia.- M.: Kedokteran, 1983, kerja. 38.

2. Pertanyaan utama dari topik.

2.1. Konsep metabolisme. Proses anabolik dan katabolik dan hubungannya.

Organisme hidup berada dalam hubungan yang konstan dan tidak dapat dipisahkan dengan lingkungan.

Hubungan ini dilakukan dalam proses metabolisme.

Metabolisme (metabolisme) – totalitas semua reaksi dalam tubuh.

Metabolisme antara (metabolisme intraseluler) - termasuk 2 jenis reaksi: katabolisme dan anabolisme.

Katabolisme- proses penguraian zat organik menjadi produk akhir (CO 2, H 2 O dan urea). Proses ini mencakup metabolit yang terbentuk selama pencernaan dan selama pemecahan komponen struktural dan fungsional sel.

Proses katabolisme dalam sel-sel tubuh disertai dengan konsumsi oksigen, yang diperlukan untuk reaksi oksidasi. Sebagai hasil dari reaksi katabolik, energi dilepaskan (reaksi eksergonik), yang dibutuhkan tubuh untuk fungsi vitalnya.

Anabolisme- sintesis zat kompleks dari yang sederhana. Dalam proses anabolik, energi yang dilepaskan selama katabolisme (reaksi endergonik) digunakan.

Sumber energi bagi tubuh adalah protein, lemak, dan karbohidrat. Energi yang terkandung dalam ikatan kimia senyawa ini diubah dari energi matahari dalam proses fotosintesis.

senyawa makroergik. ATP adalah akumulator serbaguna dan sumber energi dalam tubuh. siklus ATP-ADP. Muatan energi sel.

ATF– adalah senyawa berenergi tinggi yang mengandung koneksi berenergi tinggi; hidrolisis ikatan fosfat terminal melepaskan sekitar 20 kJ / mol energi.

Senyawa berenergi tinggi termasuk GTP, CTP, UTP, creatine phosphate, carbamoyl phosphate, dll. Mereka digunakan dalam tubuh untuk sintesis ATP. Misalnya, GTP + ADP HDF + ATF

Proses ini disebut fosforilasi substrat- reaksi eksorgonik. Pada gilirannya, semua senyawa berenergi tinggi ini dibentuk dengan menggunakan energi bebas dari gugus fosfat terminal ATP. Akhirnya, energi ATP digunakan untuk mencapai jenis yang berbeda bekerja di dalam tubuh:

Mekanik (kontraksi otot);

Listrik (konduksi impuls saraf);

Kimia (sintesis zat);

Osmotik (transpor aktif zat melalui membran) - reaksi endergonik.

Dengan demikian, ATP adalah donor energi utama yang langsung digunakan dalam tubuh. ATP adalah pusat respon endergonik dan eksergonik.

Tubuh manusia menghasilkan jumlah ATP yang sama dengan berat badan, dan setiap 24 jam semua energi ini dihancurkan. 1 molekul ATP "hidup" di dalam sel selama sekitar satu menit.

Penggunaan ATP sebagai sumber energi hanya dimungkinkan di bawah kondisi sintesis berkelanjutan ATP dari ADP karena energi oksidasi senyawa organik. Siklus ATP-ADP adalah mekanisme utama pertukaran energi dalam sistem biologis, dan ATP adalah "mata uang energi" universal.

Setiap sel memiliki muatan listrik yang

[ATP] + [ADP]

[ATP] + [ADP] + [AMP]

Jika muatan sel adalah 0,8-0,9, maka di dalam sel seluruh dana adenil disajikan dalam bentuk ATP (sel jenuh dengan energi dan proses sintesis ATP tidak terjadi).

Saat energi habis, ATP berubah menjadi ADP, muatan sel menjadi 0, dan sintesis ATP dimulai secara otomatis.

PROSES UTAMA YANG DIGUNAKAN ENERGI ATF:

1. Sintesis berbagai zat.

2. Transpor aktif (transpor zat melintasi membran melawan gradien konsentrasinya). 30% dari jumlah total ATP yang dikonsumsi jatuh pada Na +, K + -ATPase.

3. Gerakan mekanis (kerja otot).

SINTESIS ATP.

Di membran bagian dalam mitokondria, ada kompleks protein integral - H + -tergantung ATP-sintase seu H + -tergantung ATP-ase (dua nama berbeda dikaitkan dengan reversibilitas lengkap dari reaksi yang dikatalisis), yang memiliki molekul yang signifikan berat lebih dari 500 kDa. Terdiri dari dua subunit: F O dan F 1.

F 1 adalah hasil seperti jamur pada permukaan matriks membran mitokondria bagian dalam, sementara F O menembus membran ini melalui dan melalui. Saluran proton terletak di ketebalan F O, yang memungkinkan proton kembali ke matriks sepanjang gradien konsentrasinya.

F 1 mampu mengikat ADP dan fosfat pada permukaannya untuk membentuk ATP - tanpa konsumsi energi, tetapi selalu dalam kombinasi dengan enzim. Energi hanya diperlukan untuk membebaskan ATP dari kompleks ini. Energi ini dilepaskan sebagai akibat dari arus proton melalui saluran proton F O.

Dalam rantai pernapasan, berpasangan sangat: tidak ada zat yang dapat dioksidasi tanpa reduksi zat lain.

Tetapi dalam sintesis ATP, konjugasinya satu arah: oksidasi dapat berlangsung tanpa fosforilasi, dan fosforilasi tidak pernah terjadi tanpa oksidasi. Artinya sistem MTO dapat bekerja tanpa sintesis ATP, tetapi ATP tidak dapat disintesis jika sistem MTO tidak bekerja.

INHIBITOR RESPIRASI JARINGAN KHUSUS

Ini termasuk zat yang menghentikan kerja satu atau lain kompleks rantai pernapasan.

Penghambat kompleks I adalah racun tanaman rotenone. Beberapa orang menggunakannya dalam memancing sebelumnya.

Inhibitor IV kompleks adalah sianida, karbon monoksida CO, hidrogen sulfida H 2 S.

MENGHILANGKAN ZAT PROSES OKSIDASI DAN FOSPORILASI

Mereka tidak menghentikan proses oksidasi, tetapi mereka mengurangi sintesis ATP. Rantai pernapasan bekerja, dan ATP disintesis dalam jumlah yang lebih kecil dari biasanya. Kemudian energi yang diperoleh selama transfer elektron sepanjang rantai MTO dilepaskan dalam bentuk panas. Keadaan ini, ketika oksidasi substrat terjadi, dan fosforilasi (pembentukan ATP dari ADP dan F) tidak terjadi, disebut pelepasan oksidasi dan fosforilasi. Keadaan ini dapat disebabkan oleh aksi uncoupling zat:

2,4-dinitrofenol, ditemukan pada tahun 1944 oleh Lipman, ketika dimasukkan ke dalam tubuh, ia meningkatkan suhu tubuh dan menurunkan sintesis ATP. Zat ini, bersama dengan zat lain yang ditemukan kemudian, telah dicoba untuk mengobati obesitas, tetapi tidak berhasil.

Mekanisme kerja zat-pelepas menjadi jelas hanya dari sudut pandang teori chemioosmotic.

Uncouplers adalah asam lemah, larut dalam lemak. Di ruang antarmembran, mereka mengikat proton dan kemudian berdifusi ke dalam matriks, sehingga mengurangi DmH +.

Hormon tiroid yang mengandung yodium - tiroksin dan triiodothyronine - memiliki efek yang sama.Dalam kondisi yang disertai dengan hiperfungsi kelenjar tiroid (misalnya, penyakit Graves), pasien tidak memiliki energi ATP yang cukup: mereka makan banyak (mereka membutuhkan banyak jumlah substrat untuk oksidasi), tetapi pada saat yang sama mereka menurunkan berat badan. Sebagian besar energi dilepaskan sebagai panas.

Diagram rantai oksidasi mitokondria tidak mengungkapkan mekanisme pembentukan ATP melalui fosforilasi oksidatif. Mekanisme ini dijelaskan oleh hipotesis P. Mitchell.

TEORI KONJUGASI OKSIDASI DAN FOSPORILASI OLEH PETER MITCHELL.

Diketahui bahwa hanya molekul kecil yang tidak bermuatan, serta molekul hidrofobik, yang dapat dengan bebas menembus membran mitokondria. Energi yang dilepaskan selama transfer elektron sepanjang rantai MTO mengarah pada transfer proton (H+) dari matriks mitokondria ke ruang antarmembran. Oleh karena itu, gradien konsentrasi proton terbentuk pada membran bagian dalam mitokondria: ada banyak H + di ruang antarmembran, dan sedikit yang tersisa di matriks. Perbedaan potensial 0,14V terbentuk - bagian luar membran bermuatan positif, dan bagian dalam bermuatan negatif. H+ yang terakumulasi dalam ruang antarmembran cenderung keluar kembali ke matriks sepanjang gradien konsentrasinya, tetapi membran mitokondria tidak dapat ditembus oleh mereka. Satu-satunya jalan kembali ke matriks untuk proton adalah melalui saluran proton dari enzim ATP sintetase, yang terpasang di dalam membran mitokondria bagian dalam. Ketika proton bergerak melalui saluran ini ke dalam matriks, energinya digunakan oleh ATP sintase untuk mensintesis ATP. ATP disintesis dalam matriks mitokondria.

Setelah sintesis, ATP ditransfer ke dalam sitoplasma dengan difusi terfasilitasi sepanjang gradien konsentrasi, karena proses utama di mana ATP dikonsumsi terjadi di sitoplasma.

Bagaimana ATP diangkut dari mitokondria ke sitoplasma?

Untuk ini, protein transpor khusus untuk ATP digunakan - translokasi ATP/ADP. Ini adalah protein integral yang terlokalisasi di membran mitokondria bagian dalam.

Di membran dalam mitokondria terdapat protein pembawa - ATP / ATP translocase, yang memiliki 2 tempat pengikatan: di sisi matriks untuk ATP, di luar - untuk ADP. Ketika konformasi translocase ATP / ADP berubah, ADP ditransfer ke dalam matriks, dan ATP ditransfer ke ruang antarmembran, dan kemudian ke dalam sitoplasma, di mana ia digunakan.

Untuk pembentukan ATP, fosfat anorganik (P) harus selalu masuk ke dalam matriks. Untuk ini, ada sistem transportasi di membran bagian dalam mitokondria, yang memastikan transfer fosfat ke dalam matriks, ditambah dengan transfer H +. Ini adalah protein pembawa yang memiliki 2 situs pengikatan: untuk P dan H +. dan + ditransfer bersama-sama dari ruang antar membran ke dalam matriks.

Beberapa zat diketahui mampu memisahkan proses oksidasi dan fosforilasi, sehingga menyebabkan penurunan koefisien p / o. Ini termasuk hormon tiroid yang mengandung yodium (tiroksin, triiodothyronine), serta beberapa xenobiotik (misalnya, 2,4-dinitrophenol). Zat-zat semacam itu secara kolektif dikenal sebagai "PELEPASAN RACUN". Bagaimana cara kerja oksidasi dan fosforilasi uncoupler? Mereka dapat membentuk saluran proton mereka sendiri di membran mitokondria bagian dalam. Oleh karena itu, bagian dari proton, alih-alih kembali ke matriks melalui saluran proton ATP sintetase, pergi ke sana melalui saluran zat yang tidak berpasangan. Akibatnya, lebih sedikit ATP yang dihasilkan dan sebagian energi dilepaskan sebagai panas.

PENGATURAN DIRI OTONOM DARI SISTEM OKSIDASI MITOKONDRIAL

Jika sel tubuh dalam keadaan istirahat, maka ATP sedikit digunakan dan terakumulasi. Oleh karena itu, konsentrasi ADP dan F menurun.Pada kondisi ini, ATP sintetase tidak lagi menerima cukup fosfat dan ADP dari sitoplasma untuk sintesis ATP. Aktivitasnya menurun, dan laju pergerakan proton dari ruang antarmembran ke matriks di sepanjang saluran proton enzim ini juga menurun. Oleh karena itu, gradien konsentrasi proton yang tinggi tetap berada di membran mitokondria bagian dalam. Dalam kondisi ini, energi transfer hidrogen sepanjang rantai oksidasi mitokondria tidak lagi cukup untuk mendorong H+ keluar dari matriks ke dalam ruang antarmembran. Transfer hidrogen di sepanjang rantai MTO dihambat dan oksidasi substrat berhenti.

Metabolisme sel diatur oleh rasio ATP/ADP. Rasio ini mencirikan muatan energi sel.

Biasanya, EZK = 0,85-0,90. Dapat bervariasi dari 0 hingga 1. EZK tinggi menghambat sintesis ATP, dan mengaktifkan penggunaan ATP (ATP -------> ADP + F)

PERAN BIOLOGIS OKSIDASI MITOKONDRIAL

Fungsi utamanya adalah menyediakan cadangan energi bagi tubuh dalam bentuk ATP.

Ini adalah mitokondria yang memasok sel dengan b HAI sebagian besar ATP yang dibutuhkannya.

Hingga 62 kg ATP disintesis per hari, meskipun pada saat yang sama di dalam tubuh tidak pernah ada lebih dari 30-40 gram zat ini. Itu. pemulihan yang sangat cepat dari molekul ATP yang dikonsumsi diamati.

Peran utama ATP dalam tubuh dikaitkan dengan penyediaan energi untuk berbagai reaksi biokimia. Menjadi pembawa dua ikatan energi tinggi, ATP berfungsi sebagai sumber energi langsung untuk banyak proses biokimia dan fisiologis yang memakan energi. Semua ini adalah reaksi sintesis zat kompleks dalam tubuh: implementasi transfer aktif molekul melalui membran biologis, termasuk untuk penciptaan potensial listrik transmembran; pelaksanaan kontraksi otot.

Seperti yang Anda ketahui, dalam bioenergi organisme hidup, dua poin utama penting:

• a) energi kimia disimpan melalui pembentukan ATP, ditambah dengan reaksi katabolik eksergonik dari oksidasi substrat organik;
• b) energi kimia digunakan melalui pemecahan ATP, ditambah dengan reaksi endergonik anabolisme dan proses lain yang memerlukan konsumsi energi.

Muncul pertanyaan mengapa molekul ATP sesuai dengan peran sentralnya dalam bioenergi. Untuk mengatasinya, pertimbangkan struktur ATP Struktur ATP - (pada pH 7,0 muatan tetra anion).

ATP adalah senyawa yang tidak stabil secara termodinamika. Ketidakstabilan ATP ditentukan, pertama, oleh tolakan elektrostatik di wilayah gugus muatan negatif serupa, yang mengarah ke tegangan seluruh molekul, tetapi yang terkuat dari semuanya adalah ikatan P - O - P, dan kedua, oleh resonansi tertentu. Sesuai dengan faktor terakhir, ada persaingan antara atom fosfor untuk elektron bergerak tunggal dari atom oksigen yang terletak di antara mereka, karena setiap atom fosfor memiliki muatan positif parsial karena pengaruh reseptor elektron yang signifikan dari P = O dan P - O- kelompok. Dengan demikian, kemungkinan keberadaan ATP ditentukan oleh adanya jumlah energi kimia yang cukup dalam molekul, yang memungkinkan untuk mengkompensasi tekanan fisikokimia ini. Dalam molekul ATP ada dua ikatan fosfoanhidrida (pirofosfat), yang hidrolisisnya disertai dengan penurunan energi bebas yang signifikan (pada pH 7,0 dan 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.

Salah satu masalah utama bioenergi adalah biosintesis ATP, yang terjadi di alam hidup melalui fosforilasi ADP.

Fosforilasi ADP adalah proses endergonik dan membutuhkan sumber energi. Seperti disebutkan sebelumnya, dua sumber energi seperti itu mendominasi di alam - energi matahari dan energi kimia dari senyawa organik tereduksi. Tumbuhan hijau dan beberapa mikroorganisme mampu mengubah energi kuanta cahaya yang diserap menjadi energi kimia, yang digunakan untuk fosforilasi ADP dalam tahap cahaya fotosintesis. Proses regenerasi ATP ini disebut fosforilasi fotosintesis. Transformasi energi oksidasi senyawa organik menjadi ikatan makroenergi ATP dalam kondisi aerobik terjadi terutama melalui fosforilasi oksidatif. Energi bebas yang dibutuhkan untuk pembentukan ATP dihasilkan dalam rantai oksidatif respirasi mitakhodria.

Jenis lain dari sintesis ATP dikenal, yang disebut fosforilasi substrat. Berbeda dengan fosforilasi oksidatif, ditambah dengan transfer elektron, donor gugus fosforil teraktivasi (- 3 2), yang diperlukan untuk regenerasi ATP, adalah perantara dari proses glikolisis dan siklus asam trikarboksilat. Dalam semua kasus ini, proses oksidatif mengarah pada pembentukan senyawa berenergi tinggi: 1,3-difosfogliserat (glikolisis), suksinil-KoA (siklus asam trikarboksilat), yang, dengan partisipasi enzim yang sesuai, mampu memfoliasi ADP dan membentuk ATP. Transformasi energi pada tingkat substrat adalah satu-satunya cara sintesis ATP dalam organisme anaerob. Proses sintesis ATP ini membantu mempertahankan kerja otot rangka yang intensif selama periode kekurangan oksigen. Harus diingat bahwa ini adalah satu-satunya cara sintesis ATP dalam eritrosit dewasa tanpa mitokondria.

Peran yang sangat penting dalam bioenergetika sel dimainkan oleh adenil nukleotida, di mana dua residu asam fosfat melekat. Zat ini disebut asam adenosin trifosfat (ATP). Dalam ikatan kimia antara residu asam fosfat dari molekul ATP, energi disimpan, yang dilepaskan ketika fosfor organik dipecah:

ATP = ADP + F + E,

di mana F adalah enzim, E adalah energi yang membebaskan. Dalam reaksi ini, asam fosfat adenosin (ADP) terbentuk - sisa molekul ATP dan fosfat organik. Semua sel menggunakan energi ATP untuk proses biosintesis, pergerakan, produksi panas, impuls saraf, pendaran (misalnya, bakteri uluminescent), yaitu, untuk semua proses vital.

ATP adalah akumulator energi biologis universal. Energi cahaya yang terkandung dalam makanan yang dikonsumsi disimpan dalam molekul ATP.

Stok ATP dalam sel sedikit. Jadi, di otot, cadangan ATP cukup untuk 20 - 30 kontraksi. Dengan peningkatan, tetapi kerja jangka pendek, otot bekerja secara eksklusif karena pemecahan ATP yang terkandung di dalamnya. Setelah akhir pekerjaan, orang tersebut bernafas dengan keras - selama periode ini, pemecahan karbohidrat dan zat lain terjadi (energi terakumulasi) dan pasokan ATP dalam sel dipulihkan.

Selain energi ATP, ia melakukan sejumlah fungsi lain yang sama pentingnya dalam tubuh:

• · Bersama dengan nukleosida trifosfat lainnya, ATP adalah produk awal dalam sintesis asam nukleat.
• Selain itu, ATP memainkan peran penting dalam regulasi banyak proses biokimia. Menjadi efektor alosterik dari sejumlah enzim, ATP, dengan menempel pada pusat pengaturannya, meningkatkan atau menekan aktivitasnya.
• · ATP juga merupakan prekursor langsung dari sintesis siklik adenosin monofosfat, mediator sekunder transmisi sinyal hormonal ke dalam sel.

Juga dikenal adalah peran ATP sebagai neurotransmitter dalam sinapsis.

Sumber energi dalam sel adalah zat adenosin trifosfat (ATP), yang, jika perlu, terurai menjadi adenosin fosfat (ADP):

ATP → ADP + energi.

Di bawah beban yang intens, pasokan ATP yang tersedia dikonsumsi hanya dalam 2 detik. Namun, ATP terus pulih dari ADP, yang memungkinkan otot untuk terus bekerja. Ada tiga sistem utama untuk pemulihan ATP: fosfat, oksigen, dan laktat.

Sistem fosfat

Sistem fosfat melepaskan energi secepat mungkin, itulah sebabnya penting di mana upaya cepat diperlukan, seperti pelari cepat, pemain sepak bola, lompat tinggi dan panjang, petinju, dan pemain tenis.

Dalam sistem fosfat, ATP dipulihkan karena kreatin fosfat (CRP), yang disimpan langsung di otot:

KrF + ADP → ATP + kreatin.

Sistem fosfat tidak menggunakan oksigen dan tidak menghasilkan asam laktat.

Sistem fosfat hanya bekerja untuk waktu yang singkat - pada beban maksimum, total pasokan ATP dan KrF habis dalam 10 detik. Setelah beban berakhir, cadangan ATP dan CrF di otot dipulihkan sebesar 70% dalam 30 detik dan sepenuhnya dalam 3-5 menit. Ini harus diingat ketika melakukan latihan kecepatan dan kekuatan. Jika upaya berlangsung lebih lama dari 10 detik atau jeda di antara upaya terlalu pendek, sistem laktat diaktifkan.

Sistem oksigen

Sistem oksigen, atau aerobik, penting bagi atlet ketahanan karena dapat mendukung kinerja fisik jangka panjang.

Kinerja sistem oksigen tergantung pada kemampuan tubuh untuk mengangkut oksigen ke otot. Melalui pelatihan, itu bisa tumbuh hingga 50%.

Dalam sistem oksigen, energi dihasilkan terutama dari oksidasi karbohidrat dan lemak. Karbohidrat dikonsumsi terlebih dahulu karena membutuhkan lebih sedikit oksigen dan laju pelepasan energi lebih tinggi. Namun, simpanan karbohidrat tubuh terbatas. Setelah penipisannya, lemak terhubung - intensitas kerja berkurang.

Rasio lemak dan karbohidrat yang digunakan tergantung pada intensitas latihan: semakin tinggi intensitasnya, semakin besar proporsi karbohidratnya. Atlet terlatih menggunakan lebih banyak lemak dan lebih sedikit karbohidrat daripada orang yang tidak terlatih, yaitu, mereka menggunakan cadangan energi mereka secara lebih ekonomis.

Oksidasi lemak terjadi menurut persamaan:

Lemak + oksigen + ADP → ATP + karbon dioksida + air.

Pemecahan karbohidrat terjadi dalam dua langkah:

Glukosa + ADP → ATP + asam laktat.

Asam laktat + oksigen + ADP → ATP + karbon dioksida + air.

Oksigen diperlukan hanya pada langkah kedua: jika ada cukup oksigen, asam laktat tidak menumpuk di otot.

Sistem laktat

Pada intensitas beban yang tinggi, oksigen yang disuplai ke otot tidak cukup untuk oksidasi lengkap karbohidrat. Asam laktat yang dihasilkan tidak sempat dikonsumsi dan menumpuk di otot yang bekerja. Hal ini menyebabkan rasa lelah dan nyeri pada otot yang bekerja, dan kemampuan untuk membawa beban berkurang.

Pada awal latihan apa pun (dengan upaya maksimal - selama 2 menit pertama) dan dengan peningkatan beban yang tajam (dengan sentakan, lemparan akhir, naik), kekurangan oksigen terjadi pada otot, sejak jantung, paru-paru, dan darah kapal tidak punya waktu untuk sepenuhnya terlibat dalam pekerjaan. Selama periode ini, energi disediakan oleh sistem laktat, dengan produksi asam laktat. Untuk menghindari penumpukan asam laktat dalam jumlah besar pada awal latihan Anda, Anda harus melakukan pemanasan yang lembut.

Ketika batas intensitas tertentu terlampaui, tubuh beralih ke pasokan energi anaerobik sepenuhnya, di mana hanya karbohidrat yang digunakan. Dengan meningkatnya kelelahan otot, kemampuan untuk membawa beban berkurang dalam beberapa detik atau menit, tergantung pada intensitas dan tingkat kebugaran.

Pengaruh asam laktat pada kinerja

Peningkatan konsentrasi asam laktat otot memiliki beberapa konsekuensi yang perlu dipertimbangkan saat berolahraga:

• Koordinasi gerakan terganggu, yang membuat pelatihan teknik tidak efektif.
• Robekan mikro terjadi di jaringan otot, yang meningkatkan risiko cedera.
• Pembentukan kreatin fosfat diperlambat, yang mengurangi efektivitas pelatihan sprint (pelatihan sistem fosfat).
• Kemampuan sel untuk mengoksidasi lemak berkurang, yang membuat otot sangat sulit untuk memasok energi setelah penipisan simpanan karbohidrat.

Dalam kondisi istirahat, tubuh membutuhkan sekitar 25 menit untuk menetralisir setengah dari asam laktat yang terakumulasi sebagai hasil dari upaya kekuatan maksimum; 95% asam laktat dinetralkan dalam 75 menit. Jika, alih-alih istirahat pasif, halangan ringan dilakukan, misalnya, jogging, maka asam laktat dikeluarkan dari darah dan otot lebih cepat.

Konsentrasi asam laktat yang tinggi dapat merusak dinding sel otot, sehingga terjadi perubahan komposisi darah. Mungkin diperlukan waktu 24 hingga 96 jam agar jumlah darah kembali normal. Selama periode ini, olahraga harus ringan; pelatihan intensif akan sangat memperlambat proses pemulihan.

Frekuensi beban yang terlalu tinggi, tanpa istirahat yang cukup, menyebabkan penurunan kinerja, dan di masa depan - untuk overtraining.

Cadangan energi

Energi fosfat (ATP dan KrF) dikonsumsi dalam 8-10 detik kerja maksimum. Karbohidrat (gula dan pati) disimpan di hati dan otot sebagai glikogen. Sebagai aturan, mereka cukup untuk 60-90 menit kerja intensif.

Cadangan lemak dalam tubuh praktis tidak ada habisnya. Proporsi massa lemak pada pria adalah 10-20%; pada wanita - 20-30%. Pada atlet ketahanan yang terlatih dengan baik, lemak tubuh dapat berkisar dari serendah mungkin hingga relatif tinggi (4-13%).

Berdasarkan buku Heart Rate, Lactate and Endurance Training oleh Peter Jansen.