Galvenie vielmaiņas procesi ir anabolisms (asimilācija) un katabolisms (disimilācija).

Anabolisms jeb asimilācija (no latīņu asimilācijas — līdzināšana) ir šūnā ienākošo vielu endotermisks asimilācijas process pašas šūnas vielām. Tā ir “radoša” vielmaiņa.

Vissvarīgākais asimilācijas punkts ir olbaltumvielu un nukleīnskābju sintēze. Īpašs anabolisma gadījums ir fotosintēze, kas ir bioloģisks process, kurā organiskās vielas tiek sintezētas no ūdens, oglekļa dioksīda un neorganiskiem sāļiem Saules starojuma enerģijas ietekmē. Fotosintēze zaļajos augos ir autotrofisks metabolisma veids.

Katabolisms jeb disimilācija (no latīņu valodas dissimilis — atšķirība) ir eksotermisks process, kurā notiek disimilācija.

vielu zudums ar enerģijas izdalīšanos. Šis sadalījums notiek caur gremošanu un elpošanu. Gremošana ir process, kurā lielas molekulas tiek sadalītas mazākās molekulās, savukārt elpošana ir vienkāršo cukuru, glicerīna, taukskābju un deaminēto aminoskābju oksidatīvā katabolisma process, kā rezultātā tiek atbrīvota dzīvībai svarīga ķīmiskā enerģija. Šo enerģiju izmanto, lai papildinātu adenozīta trifosfātu (ATP), kas kalpo kā tiešs šūnu enerģijas donors (avots), universālā enerģijas "valūta" bioloģiskajās sistēmās. ATP rezervju papildināšanu nodrošina fosfāta (P) reakcija ar adenozīna difosfātu (ADP), proti:

Kad ATP tiek sadalīts ADP un fosfātos, šūnas enerģija tiek atbrīvota un tiek izmantota šūnu darbam. ATP ir nukleotīds, kas sastāv no adenīna, ribozes un trifosfāta atlikumiem (trifosfātu grupām), savukārt adenozīna difosfātam (ADP) ir tikai divas grupas. ATP enerģijas bagātību nosaka fakts, ka tā trifosfāta sastāvdaļa satur divas fosfoanhidrīda saites. ATP enerģija pārsniedz ADP enerģiju par 7000 kcal/mol. Šī enerģija nodrošina visas biosintētiskās reakcijas šūnā, kas rodas ATP hidrolīzes rezultātā par ADP un neorganisko fosfātu. Tātad ATP - ADP cikls ir galvenais enerģijas apmaiņas mehānisms dzīvās sistēmās. Kā redzat, asimilācija, disimilācija un fotosintēze ir saistītas ar enerģiju. Enerģija ir nepieciešama molekulu un jonu transportēšanai, biomolekulu sintēzei no vienkāršiem prekursoriem un mehāniskā darba pārvēršanai šūnu kustībās.

Kad brīvā enerģija samazinās, palielinās sistēmas kopējās iekšējās enerģijas daļa, kas ir nejaušības un nesakārtotības (dezorganizācijas) pakāpes mērs un tiek saukta par entropiju. Tādējādi jebkuras sistēmas dabiskā tendence ir palielināt entropiju un samazināt brīvo enerģiju, kas ir visnoderīgākā termodinamiskā funkcija. Dzīvām būtnēm galvenais enerģijas avots ir saules starojums

Redzamo gaismas enerģiju zaļie augi uztver fotosintēzes procesā, kas notiek to šūnu hloroplastos. Pateicoties fotosintēzei, dzīvās būtnes rada kārtību no nekārtības, un gaismas enerģija tiek pārvērsta ķīmiskajā enerģijā, kas uzkrāta ogļhidrātos, kas ir fotosintēzes produkti. Tādējādi fotosintētiskie organismi iegūst brīvu enerģiju no saules gaismas. Tā rezultātā zaļo augu šūnās ir augsts brīvās enerģijas saturs.

Dzīvnieku organismi ar pārtiku iegūst enerģiju, kas jau ir uzkrāta ogļhidrātos. Līdz ar to tie veicina vides entropijas pieaugumu. Šo organismu šūnu mitohondrijās ogļhidrātos uzkrātā enerģija tiek pārvērsta brīvās enerģijas formā, kas piemērota citu vielu molekulu sintēzei, kā arī šūnu mehāniskā, elektriskā un osmotiskā darba nodrošināšanai. Ogļhidrātos uzkrātās enerģijas izdalīšanās notiek elpošanas rezultātā - aerobā un anaerobā. Aerobās elpošanas laikā uzkrāto enerģiju saturošo molekulu sadalīšanās notiek glikolīzes un Krebsa cikla laikā. Anaerobajā elpošanā aktīva ir tikai glikolīze. Tādējādi dzīvnieku organismu šūnu dzīvībai svarīgo aktivitāti nodrošina galvenokārt enerģija, kuras avots ir “degvielas” (glikozes un taukskābju) oksidēšanās-reducēšanās reakcijas, kuru laikā elektroni tiek pārnesti no viena savienojuma (oksidācija) uz. cits (samazinājums). Enerģijas pārnešana no ķīmiskām reakcijām, kas nodrošina enerģiju procesiem, kas patērē enerģiju, tiek veikta ar ATP palīdzību.

Ķermenis ir atvērta, pašregulējoša ķīmiska sistēma, kas uztur un atkārto sevi, izmantojot Saules radīto enerģiju. Nepārtraukti absorbējot enerģiju un matēriju, dzīve “netiecas” uz līdzsvaru starp kārtību un nekārtību, starp augstu molekulāro organizāciju un dezorganizāciju. Gluži pretēji, dzīvajām būtnēm ir raksturīga kārtība gan to struktūrā un funkcijās, gan enerģijas pārveidošanā un izmantošanā.

Vielas un enerģijas vielmaiņas procesi ir pakļauti regulējumam, un pastāv daudzi regulēšanas mehānismi, no kuriem zināmākais ir fermentu skaita un aktivitātes kontrole. Metabolisma un enerģijas regulēšanā svarīgi ir arī tas, ka sintēzes un sadalīšanās vielmaiņas ceļi gandrīz vienmēr ir atdalīti, un eikariotos šo atdalīšanos pastiprina šūnu sadalīšana.

Praktiskā nodarbība Nr.15.

Uzdevums nodarbībai Nr.15.

Tēma: ENERĢIJAS APMAIŅA.

Tēmas atbilstība.

Bioloģiskā oksidācija ir fermentatīvu procesu kopums, kas notiek katrā šūnā, kā rezultātā ogļhidrātu, tauku un aminoskābju molekulas galu galā sadalās oglekļa dioksīdā un ūdenī, un atbrīvoto enerģiju šūna uzglabā adenozīna veidā. tri fosforskābe(ATP) un pēc tam tiek izmantots ķermeņa dzīvē (molekulu biosintēze, šūnu dalīšanās process, muskuļu kontrakcija, aktīva transportēšana, siltuma ražošana utt.). Ārstam jāapzinās, ka pastāv hipoenerģētiski stāvokļi, kuros ATP sintēze ir samazināta. Šajā gadījumā cieš visi dzīvībai svarīgie procesi, kas notiek, izmantojot enerģiju, kas uzkrāta ATP makroerģisko saišu veidā. Visbiežākais hipoenerģētisko stāvokļu cēlonis ir audu hipoksija, kas saistīts ar skābekļa koncentrācijas samazināšanos gaisā, sirds un asinsvadu un elpošanas sistēmu darbības traucējumiem un dažādas izcelsmes anēmiju. Turklāt hipoenerģētiskos stāvokļus var izraisīt hipovitaminoze kas saistīti ar bioloģiskās oksidācijas procesā iesaistīto enzīmu sistēmu strukturālā un funkcionālā stāvokļa pārkāpumu, kā arī badu, kas noved pie substrātu trūkuma audu elpošanai. Turklāt bioloģiskās oksidācijas procesā veidojas reaktīvās skābekļa sugas, kas izraisa procesus peroksidācija bioloģisko membrānu lipīdi. Ir jāzina organisma aizsargmehānismi pret šīm formām (enzīmi, zāles, kam piemīt membrānu stabilizējoša iedarbība – antioksidanti).

Izglītības un izglītības mērķi:

Nodarbības vispārējais mērķis: ieaudzināt zināšanas par bioloģiskās oksidēšanās gaitu, kuras rezultātā ATP veidā veidojas līdz 70-8% enerģijas, kā arī veidojas reaktīvās skābekļa formas un to kaitīgā ietekme. uz ķermeņa.

Privātie mērķi: prast mārrutkos un kartupeļos noteikt peroksidāzi; muskuļu sukcināta dehidrogenāzes aktivitāte.

1. Ienākošā kontrole zināšanas:

1.1. Pārbaudes.

1.2. Mutiska aptauja.

2. Tēmas galvenie jautājumi:

2.1. Metabolisma jēdziens. Anaboliskie un kataboliskie procesi un to attiecības.

2.2. Makroerģiskie savienojumi. ATP ir universāls akumulators un enerģijas avots organismā. ATP-ADP cikls. Šūnas enerģijas lādiņš.

2.3. Metabolisma posmi. Bioloģiskā oksidēšanās (audu elpošana). Bioloģiskās oksidācijas iezīmes.

2.4. Ūdeņraža protonu un elektronu primārie akceptori.

2.5. Elpošanas ķēdes organizācija. Nesēji elpošanas ķēdē (CRE).

2.6. ADP oksidatīvā fosforilēšana. Oksidācijas un fosforilācijas savienojuma mehānisms. Oksidatīvās fosforilācijas attiecība (P/O).

2.7. Elpošanas kontrole. Elpošanas (oksidācijas) un fosforilēšanas (brīvā oksidēšanās) atdalīšana.

2.8. Toksisku skābekļa formu veidošanās CPE un ūdeņraža peroksīda neitralizācija ar enzīmu peroksidāzi.

Laboratorijas un praktiskie darbi.

3.1. Metode peroksidāzes noteikšanai mārrutkos.

3.2. Metode peroksidāzes noteikšanai kartupeļos.

3.3. Muskuļu sukcinātdehidrogenāzes aktivitātes noteikšana un tās aktivitātes konkurējošā inhibīcija.

Izvades kontrole.

4.1. Pārbaudes.

4.2. Situācijas uzdevumi.

5. Literatūra:

5.1. Lekciju materiāli.

5.2. Nikolajevs A.Ya. Bioloģiskā ķīmija.-M.: Augstskola, 1989., 199.-212., 223.-228.lpp.

5.3. Berezovs T.T., Korovkins B.F. Bioloģiskā ķīmija. - M.: Medicīna, 1990.P.224-225.

5.4. Kušmanova O.D., Ivčenko G.M. Praktisko nodarbību ceļvedis bioķīmijā - M.: Medicīna, 1983, darbs. 38.

2. Tēmas galvenie jautājumi.

2.1. Metabolisma jēdziens. Anaboliskie un kataboliskie procesi un to attiecības.

Dzīvie organismi ir pastāvīgā un nesaraujamā saistībā ar vidi.

Šis savienojums tiek veikts vielmaiņas procesā.

Metabolisms (vielmaiņa) – visu ķermeņa reakciju kopums.

Starpposma metabolisms (intracelulārais metabolisms) - ietver 2 veidu reakcijas: katabolismu un anabolismu.

Katabolisms- sadalīšanas process organiskās vielas galaproduktiem (CO 2 , H 2 O un urīnviela). Šis process ietver metabolītus, kas veidojas gan gremošanas, gan šūnu strukturālo un funkcionālo komponentu sadalīšanās laikā.

Katabolisma procesus ķermeņa šūnās pavada skābekļa patēriņš, kas nepieciešams oksidācijas reakcijām. Katabolisko reakciju rezultātā atbrīvojas enerģija (eksergoniskas reakcijas), kas nepieciešama organisma funkcionēšanai.

Anabolisms- sarežģītu vielu sintēze no vienkāršām. Anaboliskajos procesos tiek izmantota enerģija, kas izdalās katabolisma laikā (endergoniskās reakcijas).

Ķermeņa enerģijas avoti ir olbaltumvielas, tauki un ogļhidrāti. Šo savienojumu ķīmiskajās saitēs esošā enerģija fotosintēzes procesā tika pārveidota no saules enerģijas.

Makroerģiskie savienojumi. ATP ir universāls akumulators un enerģijas avots organismā. ATP-ADP cikls. Šūnas enerģijas lādiņš.

ATP– ir augstas enerģijas savienojums, kas satur augstas enerģijas saites; gala fosfātu saites hidrolīze atbrīvo apmēram 20 kJ/mol enerģijas.

Augstas enerģijas savienojumi ietver GTP, CTP, UTP, kreatīna fosfātu, karbamoilfosfātu utt. Tos izmanto organismā ATP sintēzei. Piemēram, GTP + ADP à GDP + ATP

Šo procesu sauc substrāta fosforilēšana- eksorgoniskas reakcijas. Savukārt visi šie augstas enerģijas savienojumi veidojas, izmantojot ATP gala fosfātu grupas brīvo enerģiju. Visbeidzot, ATP enerģija tiek izmantota, lai veiktu dažādi veidi darbojas organismā:

Mehāniska (muskuļu kontrakcija);

Elektriskie (vada nervu impulsus);

Ķīmiskā (vielu sintēze);

Osmotiskā (aktīva vielu transportēšana cauri membrānai) – endergoniskas reakcijas.

Tādējādi ATP ir galvenais, tieši izmantotais enerģijas donors organismā. ATP ieņem centrālo vietu starp endergoniskām un eksergoniskām reakcijām.

Cilvēka ķermenis ražo ATP daudzumu, kas vienāds ar ķermeņa svaru, un ik pēc 24 stundām visa šī enerģija tiek iznīcināta. 1 ATP molekula šūnā “dzīvo” apmēram minūti.

ATP kā enerģijas avota izmantošana ir iespējama tikai ar nepārtrauktu ATP sintēzi no ADP, pateicoties organisko savienojumu oksidācijas enerģijai. ATP-ADP cikls ir galvenais enerģijas apmaiņas mehānisms bioloģiskajās sistēmās, un ATP ir universālā "enerģijas valūta".

Katrai šūnai ir elektriskais lādiņš, kas ir vienāds

[ATP] + ½ [ADP]

[ATP] + [ADP] + [AMP]

Ja šūnas lādiņš ir 0,8-0,9, tad viss šūnā esošais adenila baseins tiek parādīts ATP formā (šūna ir piesātināta ar enerģiju un ATP sintēzes process nenotiek).

Izmantojot enerģiju, ATP tiek pārveidots par ADP, šūnas lādiņš kļūst par 0 un automātiski sākas ATP sintēze.

GALVENIE PROCESI, KAM IZMANTO ATP ENERĢIJA:

1. Dažādu vielu sintēze.

2. Aktīvā transportēšana (vielu transportēšana cauri membrānai pret to koncentrācijas gradientu). 30% no kopējā patērētā ATP daudzuma veido Na + ,K + -ATPāze.

3. Mehāniskā kustība (muskuļu darbs).

ATP SINTĒZE.

Mitohondriju iekšējā membrānā ir integrēts proteīnu komplekss - no H + atkarīgā ATP sintāzes seu H + atkarīgā ATPāze (divi dažādi nosaukumi ir saistīti ar pilnīgu katalizētās reakcijas atgriezeniskumu), kam ir ievērojama molekulmasa - vairāk nekā 500 kDa. Sastāv no divām apakšvienībām: F O un F 1.

F 1 ir sēnes formas izaugums uz iekšējās mitohondriju membrānas matricas virsmas, savukārt F O iekļūst caur šo membrānu. F O biezumā ir protonu kanāls, kas ļauj protoniem atgriezties matricā pa to koncentrācijas gradientu.

F 1 spēj saistīt ADP un fosfātu uz tās virsmas, veidojot ATP – bez enerģijas patēriņa, bet vienmēr kopā ar fermentu. Enerģija ir nepieciešama tikai, lai atbrīvotu ATP no šī kompleksa. Šī enerģija tiek atbrīvota protonu plūsmas rezultātā caur F O protonu kanālu.

Elpošanas ķēdes savienojumā absolūti: Nevienu vielu nevar oksidēt, nereducējot citu vielu.

Bet ATP sintēzes laikā savienojums ir vienvirziena: oksidēšanās var notikt bez fosforilēšanās, bet fosforilēšana nekad nenotiek bez oksidēšanās. Tas nozīmē, ka MtO sistēma var darboties bez ATP sintēzes, bet ATP nevar sintezēt, ja MtO sistēma nedarbojas.

ĪPAŠI AUDU ELPOŠANAS INHIBITORI

Tie ietver vielas, kas aptur viena vai otra elpošanas ķēdes kompleksa darbību.

I kompleksa inhibitors ir augu inde rotenons. Dažas tautas to agrāk izmantoja makšķerēšanai.

Kompleksā IV inhibitori ir cianīds, oglekļa monoksīds CO un sērūdeņradis H2S.

OKSIDĀCIJAS UN FOSFORILĀCIJAS PROCESU ATRAŠAS VIELAS

Tie neaptur oksidācijas procesus, bet samazina ATP sintēzi. Elpošanas ķēde darbojas, bet ATP tiek sintezēts mazākā daudzumā nekā parasti. Tad enerģija, kas iegūta elektronu pārneses laikā pa MtO ķēdi, tiek atbrīvota siltuma veidā. Šo stāvokli, kad notiek substrātu oksidēšanās, bet nenotiek fosforilēšanās (ATP veidošanās no ADP un P), sauc par oksidācijas un fosforilēšanās atsaisti. Šo stāvokli var izraisīt atvienojošo vielu darbība:

2,4-dinitrofenols, 1944. gadā atklāja Lipmans, ievadot organismā, tas paaugstina ķermeņa temperatūru un samazina ATP sintēzi. Šo vielu kopā ar citām, kas tika atklātas vēlāk, mēģināja izmantot aptaukošanās ārstēšanai, taču nesekmīgi.

Vielu atsaistes darbības mehānisms kļūst skaidrs tikai no chemiosmotic teorijas viedokļa.

Atvienotāji ir vājas skābes, šķīst taukos. Starpmembrānu telpā tie saista protonus un pēc tam izkliedējas matricā, tādējādi samazinot DmH +.

Jodu saturošiem vairogdziedzera hormoniem – tiroksīnam un trijodtironīnam – ir līdzīga iedarbība. tiem nepieciešams liels daudzums substrātu oksidēšanai), bet tajā pašā laikā tie zaudē svaru Lielākā daļa enerģijas tiek atbrīvota siltuma veidā.

Mitohondriju oksidācijas ķēdes diagramma neatklāj ATP veidošanās mehānismu oksidatīvās fosforilēšanas ceļā. Šo mehānismu izskaidro P. Mičela hipotēze.

PĒRA MIČELA TEORIJA PAR PĀRU OKSIDĒŠANU UN FOSFORILĀCIJU.

Ir zināms, ka tikai mazas neuzlādētas molekulas, kā arī hidrofobās molekulas var brīvi iekļūt mitohondriju membrānā. Enerģija, kas izdalās elektronu pārneses laikā pa MtO ķēdi, noved pie protonu (H +) pārnešanas no mitohondriju matricas starpmembrānu telpā. Tāpēc uz mitohondriju iekšējās membrānas veidojas protonu koncentrāciju gradients: starpmembrānu telpā ir daudz H +, bet matricā paliek maz. Veidojas potenciālu starpība 0,14V - membrānas ārējā daļa ir pozitīvi uzlādēta, bet iekšējā - negatīvi. H+, kas uzkrāts starpmembrānu telpā, mēdz iziet atpakaļ matricā pa koncentrācijas gradientu, bet mitohondriju membrāna tiem ir necaurlaidīga. Vienīgais ceļš atpakaļ uz matricu protoniem ir caur enzīma ATP sintetāzes protonu kanālu, kas ir iebūvēts mitohondriju iekšējā membrānā. Protoniem pārvietojoties pa šo kanālu matricā, to enerģiju izmanto ATP sintāze, lai sintezētu ATP. ATP tiek sintezēts mitohondriju matricā.

Pēc sintēzes ATP tiek pārnests uz citoplazmu ar atvieglotu difūziju pa koncentrācijas gradientu, jo galvenie procesi, kuros ATP tiek patērēts, notiek citoplazmā.

Kā notiek ATP transportēšana no mitohondrijiem uz citoplazmu?

Šim nolūkam tiek izmantots ATP specifisks transporta proteīns - ATP/ADP translokāze. Tas ir neatņemams proteīns, kas lokalizēts mitohondriju iekšējā membrānā.

Mitohondriju iekšējā membrānā atrodas nesējproteīns - ATP/ATP translokāze, kurai ir 2 saistīšanās centri: matricas pusē ATP, ārpusē - ADP. Kad mainās ATP/ADP translokāzes konformācija, ADP tiek pārnests uz matricu, un ATP tiek pārnests uz starpmembrānu telpu un pēc tam uz citoplazmu, kur to izmanto.

Lai veidotos ATP, neorganiskajam fosfātam (P) pastāvīgi jāiekļūst matricā. Šim nolūkam iekšējai mitohondriju membrānai ir transporta sistēma, kas nodrošina fosfāta pārnesi matricā kopā ar H + pārnešanu. Šis ir nesējproteīns, kuram ir 2 saistīšanās centri: F un H+. P un H + tiek pārnesti kopā no starpmembrānu telpas matricā.

Ir zināmas dažas vielas, kas spēj atsaistīt oksidācijas un fosforilēšanās procesus, tādējādi izraisot p/o koeficienta samazināšanos. Tie ietver jodu saturošus vairogdziedzera hormonus (tiroksīnu, trijodtironīnu), kā arī dažus ksenobiotikas (piemēram, 2,4-dinitrofenolu). Šādas vielas kopā sauc par "INDES ATKLĀŠANU". Kā darbojas vielas, kas atdala oksidāciju un fosforilāciju? Tie var veidot savus protonu kanālus iekšējā mitohondriju membrānā. Tāpēc daļa protonu, tā vietā, lai atgrieztos matricā caur ATP sintetāzes protonu kanālu, nonāk tur caur atvienojošo vielu kanāliem. Tā rezultātā tiek ražots mazāk ATP un daļa enerģijas tiek atbrīvota kā siltums.

MITOHONDRIĀLĀS OKSIDĀCIJAS SISTĒMAS AUTONOMĀ PAŠREGULĒŠANA

Ja ķermeņa šūna atrodas miera stāvoklī, tad tiek izmantots un uzkrājas maz ATP. Tāpēc ADP un P koncentrācija samazinās Šādos apstākļos ATP sintetāze vairs nesaņem pietiekami daudz fosfātu un ADP no citoplazmas, lai sintezētu ATP. Tā aktivitāte samazinās, un samazinās arī protonu kustības ātrums no starpmembrānu telpas matricā caur šī enzīma protonu kanālu. Tāpēc uz iekšējās mitohondriju membrānas saglabājas augsts protonu koncentrācijas gradients. Šādos apstākļos ūdeņraža pārneses enerģija pa mitohondriju oksidācijas ķēdi vairs nav pietiekama, lai H+ izstumtu no matricas starpmembrānu telpā. Ūdeņraža pārnešana pa MtO ķēdi tiek kavēta un substrātu oksidēšanās apstājas.

Metabolismu šūnā regulē ATP/ADP attiecība. Šī attiecība raksturo šūnas enerģijas lādiņu.

Parasti EZK = 0,85-0,90. Var mainīties no 0 līdz 1. Augsts EZK inhibē ATP sintēzi un aktivizē ATP izmantošanu (ATP-------> ADP + P)

MITOHONDRIĀLĀS OKSIDĀCIJAS BIOLOĢISKĀ LOMA

Tās galvenā funkcija ir nodrošināt organismu ar enerģijas rezervēm ATP veidā.

Tieši mitohondriji apgādā šūnu ar O lielākā daļa tai nepieciešamā ATP.

Dienā tiek sintezēts līdz 62 kg ATP, lai gan vienā reizē organismā šīs vielas nav vairāk par 30-40 gramiem. Tie. Notiek ļoti ātra patērēto ATP molekulu atjaunošana.

ATP galvenā loma organismā ir saistīta ar enerģijas nodrošināšanu daudzām bioķīmiskām reakcijām. Kā divu augstas enerģijas saišu nesējs ATP kalpo kā tiešs enerģijas avots daudziem enerģiju patērējošiem bioķīmiskiem un fizioloģiskiem procesiem. Tās visas ir sarežģītu vielu sintēzes reakcijas organismā: molekulu aktīvas pārvietošanas īstenošana caur bioloģiskajām membrānām, tostarp transmembrāna elektriskā potenciāla radīšana; muskuļu kontrakcijas īstenošana.

Kā zināms dzīvo organismu bioenerģijā, svarīgi ir divi galvenie punkti:

• a) ķīmiskā enerģija tiek uzkrāta, veidojot ATP kopā ar eksergoniskām kataboliskām organisko substrātu oksidācijas reakcijām;
• b) ķīmiskā enerģija tiek izmantota, sadalot ATP, kopā ar endergoniskām anabolisma reakcijām un citiem procesiem, kuriem nepieciešama enerģija.

Rodas jautājums, kāpēc ATP molekula pilda savu galveno lomu bioenerģētikā. Lai to atrisinātu, apsveriet ATP struktūru ATP struktūra - (pie pH 7,0 anjona tetralādiņš).

ATP ir termodinamiski nestabils savienojums. ATP nestabilitāti nosaka, pirmkārt, elektrostatiskā atgrūšanās tāda paša nosaukuma negatīvo lādiņu kopas reģionā, kas noved pie spriedzes visā molekulā, bet spēcīgākā saite ir P-O-P, un, otrkārt, ar specifisku rezonansi. Saskaņā ar pēdējo faktoru starp fosfora atomiem notiek konkurence par skābekļa atoma nedalītajiem mobilajiem elektroniem, kas atrodas starp tiem, jo ​​katram fosfora atomam ir daļēja pozitīvs lādiņš P=O un P - O- grupu ievērojamās elektronu receptoru ietekmes dēļ. Tādējādi ATP pastāvēšanas iespējamību nosaka pietiekama ķīmiskās enerģijas daudzuma klātbūtne molekulā, lai kompensētu šos fizikāli ķīmiskos spriegumus. ATP molekula satur divas fosfoanhidrīda (pirofosfāta) saites, kuru hidrolīzi pavada ievērojams brīvās enerģijas samazinājums (pie pH 7,0 un 37 o 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.

Viena no centrālajām bioenerģijas problēmām ir ATP biosintēze, kas dzīvajā dabā notiek, fosforilējot ADP.

ADP fosforilēšana ir endergonisks process, un tam ir nepieciešams enerģijas avots. Kā minēts iepriekš, dabā dominē divi šādi enerģijas avoti - saules enerģija un reducētu organisko savienojumu ķīmiskā enerģija. Zaļie augi un daži mikroorganismi spēj pārveidot absorbēto gaismas kvantu enerģiju ķīmiskajā enerģijā, kas tiek tērēta ADP fosforilēšanai fotosintēzes gaismas stadijā. Šo ATP reģenerācijas procesu sauc par fotosintētisko fosforilāciju. Organisko savienojumu oksidācijas enerģijas pārvēršana par ATP makroenerģētiskajām saitēm aerobos apstākļos galvenokārt notiek oksidatīvās fosforilēšanas ceļā. Brīvā enerģija, kas nepieciešama ATP veidošanai, tiek ģenerēta mitohondriju elpošanas oksidatīvajā ķēdē.

Ir zināms cits ATP sintēzes veids, ko sauc par substrāta fosforilāciju. Atšķirībā no oksidatīvās fosforilēšanas, kas saistīta ar elektronu pārnesi, ATP reģenerācijai nepieciešamās aktivētās fosforilgrupas (-PO3H2) donors ir glikolīzes un trikarbonskābes cikla starpprodukti. Visos šajos gadījumos oksidatīvo procesu rezultātā veidojas augstas enerģijas savienojumi: 1,3-difosfoglicerāts (glikolīze), sukcinil-CoA (trikarbonskābes cikls), kas, piedaloties atbilstošiem enzīmiem, spēj folyēt ADP un veidojot ATP. Enerģijas transformācija substrāta līmenī ir vienīgais ATP sintēzes veids anaerobos organismos. Šis ATP sintēzes process ļauj uzturēt intensīvu skeleta muskuļu darbu skābekļa bada periodos. Jāatceras, ka tas ir vienīgais ATP sintēzes ceļš nobriedušajās sarkanajās asins šūnās, kurām nav mitohondriju.

Īpaši svarīga loma šūnas bioenerģētikā ir adenilnukleotīdam, kuram pievienoti divi fosforskābes atlikumi. Šo vielu sauc par adenozīna trifosforskābi (ATP). Enerģija tiek uzkrāta ķīmiskajās saitēs starp ATP molekulas fosforskābes atlikumiem, kas izdalās, atdalot organisko fosforītu:

ATP = ADP+P+E,

kur F ir enzīms, E ir atbrīvojošā enerģija. Šajā reakcijā veidojas adenozīna fosforskābe (ADP) - ATP molekulas atlikums un organiskais fosfāts. Visas šūnas izmanto ATP enerģiju biosintēzes procesiem, kustībai, siltuma ražošanai, nervu impulsiem, luminiscencei (piemēram, luminiscējošās baktērijas), tas ir, visiem dzīvībai svarīgiem procesiem.

ATP ir universāls bioloģiskās enerģijas akumulators. Patērētajā pārtikā esošā gaismas enerģija tiek uzkrāta ATP molekulās.

ATP piegāde šūnā ir neliela. Tātad ATP rezerve muskuļos ir pietiekama 20 - 30 kontrakcijām. Ar intensīvu, bet īslaicīgu darbu muskuļi darbojas tikai tajos esošā ATP sadalīšanās dēļ. Pēc darba pabeigšanas cilvēks intensīvi elpo – šajā periodā tiek sadalīti ogļhidrāti un citas vielas (tiek uzkrāta enerģija) un atjaunota ATP piegāde šūnās.

Papildus enerģijai ATP organismā veic vairākas citas vienlīdz svarīgas funkcijas:

• · Kopā ar citiem nukleozīdu trifosfātiem ATP ir nukleīnskābju sintēzes sākumprodukts.
• · Turklāt ATP ir svarīga loma daudzu bioķīmisko procesu regulēšanā. Būdams vairāku enzīmu allosteriskais efektors, ATP, pievienojoties to regulējošajiem centriem, uzlabo vai nomāc to darbību.
• · ATP ir arī tiešais priekštecis cikliskā adenozīna monofosfāta sintēzei, kas ir sekundārais hormonālo signālu pārraides vēstnesis šūnā.

Ir zināma arī ATP kā raidītāja loma sinapsēs.

Šūnu enerģijas avots ir viela adenozīna trifosfāts (ATP), kas, ja nepieciešams, sadalās līdz adenozīna fosfātam (ADP):

ATP → ADP + enerģija.

Pie intensīvas slodzes pieejamā ATP rezerve tiek patērēta tikai 2 sekundēs. Tomēr ATP tiek nepārtraukti atjaunots no ADP, ļaujot muskuļiem turpināt darbu. Ir trīs galvenās ATP reģenerācijas sistēmas: fosfāts, skābeklis un laktāts.

Fosfātu sistēma

Fosfātu sistēma atbrīvo enerģiju pēc iespējas ātrāk, tāpēc tā ir svarīga tur, kur nepieciešama strauja piepūle, piemēram, sprinteriem, futbolistiem, augstlēcējiem un tāllēcējiem, bokseriem un tenisistiem.

Fosfātu sistēmā ATP atjaunošanās notiek kreatīna fosfāta (CrP) dēļ, kura rezerves ir pieejamas tieši muskuļos:

KrP + ADP → ATP + kreatīns.

Fosfātu sistēma neizmanto skābekli un nerada pienskābi.

Fosfātu sistēma darbojas tikai īsu laiku - pie maksimālās slodzes kopējais ATP un CrP krājums tiek iztērēts 10 sekundēs. Pēc slodzes pabeigšanas ATP un CrP rezerves muskuļos tiek atjaunotas par 70% pēc 30 sekundēm un pilnībā pēc 3-5 minūtēm. Tas jāpatur prātā, veicot ātruma un spēka vingrinājumus. Ja piepūle ilgst ilgāk par 10 sekundēm vai pārtraukumi starp piepūli ir pārāk īsi, ieslēdzas laktāta sistēma.

Skābekļa sistēma

Skābekļa jeb aerobā sistēma ir svarīga izturības sportistiem, jo ​​tā var atbalstīt ilgstošu fizisko veiktspēju.

Skābekļa sistēmas darbība ir atkarīga no organisma spējas transportēt skābekli uz muskuļiem. Izmantojot apmācību, tas var palielināties par 50%.

Skābekļa sistēmā enerģija rodas galvenokārt no ogļhidrātu un tauku oksidēšanās. Vispirms tiek patērēti ogļhidrāti, jo tiem nepieciešams mazāk skābekļa un tiem ir lielāks enerģijas izdalīšanās ātrums. Tomēr organisma ogļhidrātu rezerves ir ierobežotas. Pēc tam, kad tie ir izsmelti, tiek pievienoti tauki - darba intensitāte samazinās.

Izmantoto tauku un ogļhidrātu attiecība ir atkarīga no slodzes intensitātes: jo lielāka intensitāte, jo lielāks ir ogļhidrātu īpatsvars. Trenēti sportisti, salīdzinot ar netrenētu cilvēku, patērē vairāk tauku un mazāk ogļhidrātu, tas ir, ekonomiskāk izmanto pieejamās enerģijas rezerves.

Tauku oksidēšanās notiek saskaņā ar vienādojumu:

Tauki + skābeklis + ADP → ATP + oglekļa dioksīds + ūdens.

Ogļhidrātu sadalīšanās notiek divos posmos:

Glikoze + ADP → ATP + pienskābe.

Pienskābe + skābeklis + ADP → ATP + oglekļa dioksīds + ūdens.

Skābeklis ir nepieciešams tikai otrajā posmā: ja ir pietiekami daudz skābekļa, pienskābe muskuļos neuzkrājas.

Laktāta sistēma

Pie augstas intensitātes slodzēm muskuļiem piegādātā skābekļa nepietiek, lai pilnībā oksidētu ogļhidrātus. Iegūtajai pienskābei nav laika patērēt, un tā uzkrājas darba muskuļos. Tas rada noguruma un sāpīguma sajūtu strādājošajos muskuļos, un samazinās spēja izturēt slodzi.

Jebkuras slodzes sākumā (ar maksimālu piepūli - pirmajās 2 minūtēs) un strauji palielinoties slodzei (raušanas laikā, beigu metienos, kāpumos) muskuļos rodas skābekļa deficīts, jo sirds, plaušas un asinsvadiem nav laika pilnībā iesaistīties darbā. Šajā periodā enerģiju nodrošina laktāta sistēma, ražojot pienskābi. Lai izvairītos no liela daudzuma pienskābes uzkrāšanās treniņa sākumā, jums ir jāveic viegla iesildīšanās.

Pārsniedzot noteiktu intensitātes slieksni, organisms pāriet uz pilnīgi anaerobu enerģijas padevi, kurā tiek izmantoti tikai ogļhidrāti. Sakarā ar pieaugošo muskuļu nogurumu, spēja izturēt slodzi tiek izsmelta dažu sekunžu vai minūšu laikā atkarībā no treniņa intensitātes un līmeņa.

Pienskābes ietekme uz veiktspēju

Pienskābes koncentrācijas palielināšanās muskuļos rada vairākas sekas, kas jāņem vērā treniņa laikā:

• Ir traucēta kustību koordinācija, kas padara tehnikas apmācību neefektīvu.
• Mikroplīsumi rodas muskuļu audos, kas palielina traumu risku.
• Kreatīna fosfāta veidošanās palēninās, kas samazina sprinta treniņu (fosfātu sistēmas treniņu) efektivitāti.
• Šūnu spēja oksidēt taukus samazinās, kas ievērojami apgrūtina enerģijas piegādi muskuļiem pēc ogļhidrātu rezervju izsīkšanas.

Atpūtas apstākļos ķermenim nepieciešamas aptuveni 25 minūtes, lai neitralizētu pusi no pienskābes, kas uzkrāta maksimālās jaudas piepūles rezultātā; 95% pienskābes tiek neitralizēti 75 minūtēs. Ja pasīvās atpūtas vietā tiek veikta viegla atvēsināšanās, piemēram, skriešana, tad pienskābe no asinīm un muskuļiem tiek izvadīta daudz ātrāk.

Augsta pienskābes koncentrācija var izraisīt muskuļu šūnu sieniņu bojājumus, kas izraisa izmaiņas asins sastāvā. Var paiet 24 līdz 96 stundas, līdz jūsu asins aina normalizējas. Šajā periodā apmācībai jābūt vieglai; Intensīvi treniņi ievērojami palēninās atveseļošanās procesu.

Pārāk augsts intensīvas slodzes biežums bez pietiekamiem atpūtas pārtraukumiem noved pie veiktspējas samazināšanās un pēc tam pārtrenēšanās.

Enerģijas rezerves

Enerģijas fosfāti (ATP un KrP) tiek patērēti 8-10 sekunžu laikā pēc maksimālā darba. Ogļhidrāti (cukuri un ciete) tiek uzglabāti aknās un muskuļos glikogēna veidā. Parasti ar tiem pietiek 60-90 minūšu intensīvam darbam.

Tauku rezerves organismā ir praktiski neizsmeļamas. Tauku masas īpatsvars vīriešiem ir 10-20%;

Pamatojoties uz Pītera Jansena grāmatu Sirdsdarbības ātrums, laktāts un izturības treniņš.