Презентация "Энергетический обмен" – проект, доклад

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

ЛЕКЦИЯ

1. Превращение энергии в живых клетках; 2. Структура АТФ и её роль в энергетическом обмене;

1. Превращение энергии в живых клетках

Функционирование живых организмов основано на биохимических реакциях; Они протекают как в цитоплазме клеток, так и в межклеточных жидкостях; Эти реакции требуют обеспечения энергией; Первичный источник энергии на нашей планете – излучение Солнца; Все живые организмы в зависимости от формы извлечения, преобразовывания и использования энергии окружающей среды делятся на 2 группы: - ФОТОТРОФЫ; - ХЕМОТРОФЫ.

Фототрофы – это растения и многоклеточные водоросли; Они преобразуют солнечный свет в реакциях фотосинтеза, используя углекислый газ и воду; Хемотрофы - запасают эту энергию в форме химической энергии в химических связях различных веществ;

ФОТОСИНТЕЗ

Суммарное уравнение фотосинтеза: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2 Затем образовавшаяся глюкоза превращается в крахмал и целлюлозу. Зеленые растения и водоросли (мирового океана) ежегодно поглощают из атмосферы около 200 млрд тонн СО2. При этом освобождается в атмосферу около 130 млрд тонн О2 И синтезируется 50 млрд тонн органических соединений углерода, в основном – углеводов.

Поскольку на Земле преобладают аэробные условия, то большую часть энергии живые организмы получают за счет окислительно-восстановительных процессов – за счет окисления органических веществ атмосферным кислородом (хемотрофы);

Совокупность ферментативных химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности называется МЕТАБОЛИЗМОМ или обменом веществ; Способность к обмену веществ – главное отличие живых организмов от неживых тел; С прекращением обмена веществ – прекращается и жизнь;

В Метаболизме принято выделять два противоположных процесса: катаболизм и анаболизм. Катаболизм – это процесс распада веществ с выделением энергии;

КАТАБОЛИЗМ

Катаболизм включает 3 основных этапа: На 1 этапе крупные пищевые молекулы расщепляются на составляющие их строительные блоки: аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты и др.; На 2 этапе продукты, образовавшиеся на 1 стадии, превращаются в более простые молекулы, число которых невелико - ацетил-КоА и др.; На 3 этапе эти продукты окисляются до СО2 и воды.

АНАБОЛИЗМ – процесс синтеза сложных молекул из более простых, сопровождающийся потреблением энергии; Так, из образовавшихся в результате расщепления биополимеров аминокислот, жирных кислот и моносахаридов в клетках синтезируются новые клеточные белки, фосфолипиды мембран и полисахариды.

Выделяющаяся в результате катаболизма (окисления углеводородов и жирных кислот) свободная энергия должна каким-либо образом улавливаться и сохраняться, иначе она перейдет в тепло и будет потеряна. Единственным способом сохранения свободной энергии является превращение ее в химическую энергию - энергию химических связей.

Энергия в клетках аккумулир-ся в виде АТФ; Энергия нужна для обеспечения: - процесса биосинтеза самих клеток и клеточных компонентов; - транспорта веществ в клетку; - механической работы: - по сокращению; - по передвижению в пространстве и др.; Молекула АТФ (аденозинтрифосфата) – главный переносчик энергии в организме человека;

2.Структура АТФ и ее роль в энергетическом обмене

Почему именно молекула АТФ является основным поставщиком химической энергии для биохимических процессов? Молекула АТФ построена из: - азотистого основания – аденина; - моносахарида – рибозы; - трех остатков фосфорной кислоты. Азо́тистые основа́ния — гетероциклические органические соединения, входящие в состав нуклеиновых кислот. АТФ представляет собой формулу: Аденин – рибоза – фосфат ~ фосфат ~ фосфат.

Энергия в молекуле АТФ содержится в двух макроэргических связях между остатками фосфорной кислоты.

ГИДРОЛИЗ (от греч. hydor-вода и lysis - разложение, распад), обменная р-ция между в-вом и водой

Макроэргические - это связи, при гидролизе которых изменения энергии составляют более 30 кДж/моль; Их обозначают знаком ~ (тильда); Соединения, обладающие такими связями, называют макроэргами. К макроэргичиским соединениям (кроме АТФ) относятся также УТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ; креатинфосфат, нужный для энергообеспечения мышечной работы; некоторые тиоэфиры (ацил-КоА) и некоторые другие соедирнения.

При гидролизе этих макроэргических связей молекулы АТФ и высвобождается значительное количество свободной энергии. Гидролиз – обменная реакция между веществом и водой, когда исходное вещество разлагается с образованием новых соединений. Гидролиз АТФ – химическая реакция распада АТФ при взаимодействии с водой под влиянием фермента АТФазы. АТФ + H2O →АДФ + H3PO4 ∆G0' = –31,8 кДж/моль; АДФ + H2O →АМФ + H3PO4 ∆G0' = –31,8 кДж/моль

Чтобы расходовать энергию ее нужно создавать и запасать. Поэтому биосинтез АТФ - основная задача живых организмов; В живой природе он происходит путём фосфорилирования АДФ и называется ресинтезом; РЕСИНТЕЗ АТФ – химическая реакция образования АТФ из АДФ путем фосфорилирования (присоединения остатка фосфорной кислоты): АДФ + Pi = АТФ

Способы синтеза АТФ в живой природе

1) Фотосинтетическое фосфорилирование - в зелёных растениях (используется солнечная энергия); Энергия запасается и в этом случае в макроэргических связях АТФ.

2) Окислительное фосфорилирование – происходит в живых организмах и организме человека в аэробных условиях. 3) Субстратное фосфорилирование - протекает в анаэробных условиях, т.е. без участия кислорода Донором фосфатной группы (~PO3H2) для синтеза АТФ являются промежуточные продукты процессов гликолиза и цикла трикарбоновых кислот.

Основной источник энергии в клетке - окислительное фосфорилирование - или биологическое окисление, т.е. окисление субстратов кислородом воздуха. Суть этого процесса заключается в переносе электронов и протонов с окисляемого субстрата с помощью системы окислительно-восстановительных ферментов во внутренней мембране митохондрий к кислороду.

Биологическое окисление – многоступенчатый ферментативный процесс распада сложных органических веществ: углеводов, жиров и белков с постепенным высвобождением химической энергии; Этот процесс также называют тканевым дыханием. Около 40% энергии, выделяющейся при окислении, организм превращает в энергию макроэргических связей АТФ. Таким путем клетка превращает химическую энергию питательных веществ, поступивших извне, в утилизируемую метаболическую энергию;

Аэробное окисление

Выделяют 2 вида окисления: 1. Аэробное окисление – с обязательным участием кислорода. Протекает в митохондриях клеток; Его конечные продукты – углекислый газ и вода;

Анаэробное окисление

2. Анаэробное окисление – без участия кислорода; Протекает в цитоплазме клеток; Его конечные продукты – недоокисленные вещества: - при окислении углеводов – молочная кислота; - при окислении жиров и жирных кислот – кетоновые тела; - при окислении белков и аминокислот – окси; - кето; и органические кислоты.

Понятие о гликолизе

Гликолиз – совокупность ферментативных реакций окисления свободной глюкозы в клетках с образованием энергии в виде АТФ. Может протекать: в аэробных условиях (если доступен кислород) - аэробный гликолиз; в отсутствие кислорода - анаэробный гликолиз.

ГЛИКОЛИЗ

При аэробных условиях глюкоза полностью окисляется до СО2 и Н2О (в митохондриях); Если содержание кислорода недостаточно (в активно сокращающейся мышце) – тогда образуется молочная кислота. Но и в том, и в другом случае – это путь получения ЭНЕРГИИ!

гликолиз

В энергетическом плане аэробный гликолиз наиболее выгодный процесс: при окислении одной молекулы глюкозы синтезируется 38 молекул АТФ!!! Но в анаэробных условиях гликолиз – единственный процесс в организме, поставляющий энергию для обеспечения физиологических функций; Анаэробный гликолиз включает 12 последовательных химических реакций; Его катализируют одиннадцать ферментов! Энергетический эффект – 2 молекулы АТФ.

ГЛИКОГЕНОЛИЗ

Это процесс анаэробного окисления глюкозы, которая образуется при распаде гликогена (основной формы хранения глюкозы в организме); Конечный продукт окисления – также молочная кислота; Энергетический эффект – 3 молекулы АТФ.

КЕТОНОВЫЕ ТЕЛА

Кетоновые тела это: - ацетоуксусная к-та; - бета-оксимасляная к-та; - ацетон; Они являются недоокисленными продуктами распада жиров; Основное место образования - печень. Их усиленное образование в организме - КЕТОЗ. Накопление в крови – КЕТОНЕМИЯ; Выделение с мочой – КЕТОНУРИЯ.

Кетоновые тела

В крови здорового человека кетоновые тела содержатся в очень малом количестве: в сыворотке крови 0,03–0,2 ммоль/л; У лиц с сахарноым диабетом, при голодании концентрация кетоновых тел в крови увеличивается и может достигать 16–20 ммоль/л. Они - важный источник энергии в условиях недостатка глюкозы – поставщики «топлива» для мышц; Мышцы утилизируют их в цикле КРЕБСА.

ОКИСЛЕНИЕ ЛИПИДОВ

- как источник энергии на втором месте после окисления углеводов; - при окислении одной молекулы липидов образуется даже больше молекул АТФ, чем при окислении глюкозы: -энергетический эффект от окисления глицерина в аэробных условиях - 22 молекулы АТФ; от окисления 1 молекулы жирной кислоты – около 100 молекул АТФ !!

Почему тогда этот путь образования энергии не является главным?

1. Для окисления липидов требуется значительно больше кислорода, чем при окислении глюкозы (окисление одной молекулы ВЖК требует в 4 раза больше кислорода, чем окисление 1 молекулы углеводов); 2. Липиды включаются в энергообмен при нагрузках длительностью не менее получаса (т.е. только при развитии качества выносливости).

Биоэнергетика мышечной деятельности

Мышечная ткань составляет около 40% от веса тела человека. Биохимические процессы, протекающие в мышцах, оказывают большое влияние на весь организм. Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит преобразование химической энергии АТФ непосредственно в механическую энергию сокращения и движения.

У животных и человека имеется два основных типа мышц: поперечно-полосатые и гладкие. Поперечно-полосатые мышцы прикрепляются к костям, т.е. к скелету, и поэтому ещё называются скелетными. Поперечно-полосатые мышечные волокна также составляют основу сердечной мышцы – миокарда. Гладкие мышцы образуют мускулатуру стенок кровеносных сосудов, кишечника, находятся в тканях внутренних органов и коже.

Каждая поперечно-полосатая мышца состоит из нескольких тысяч волокон, объединенных прослойками из соединительной ткани и такой же оболочкой – фасцией. Мышечные волокна (или мышечные клетки - миоциты) представляют собой сильно вытянутые многоядерные клетки: длина их достигает от 0,1 до 2-3 см, а в некоторых мышцах – более 10 см. Толщина мышечных клеток 0,1-0,2 мм; Мышечные волокна объединены в пучки.

Как и любая клетка, миоцит содержит обязательные органеллы: ядро; митохондрии; цитоплазматическую сеть (саркоплазматическая сеть); клеточную оболочку мышечной клетки – сарколемму.

Основной особенностью миоцитов является наличие сократительных элементов – миофибрилл; Миофибриллы занимают большую часть мышечных клеток, их диаметр около 1 мм. В саркоплазме миоцитов есть белок - миоглобин, который как и гемоглобин крови связывает кислород, создавая его запас; Основной углевод мышечной ткани – гликоген. Концентрация гликогена колеблется в приделах от 0,2 до 4%.

При изучении структуры миофибрилл с помощью электронного микроскопа было установлено, что миофибриллы являются сложными структурами, простроенными из большого числа мышечных нитей двух типов – толстых и тонких. Толстые нити имеют диаметр 15 нм, тонкие – 7 нм;

В середине пучка тонких нитей поперечно располагается тонкая пластинка из белка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве. Она называется Z-линией. Участок миофибриллы между соседними Z-линиями называется саркомером. Длина саркомера достигает 2-2,5 мкм. Каждая миофибрилла состоит из нескольких тысяч саркомеров. Саркомер - структурно-функциональная единица мышечной ткани; Толстые и тонкие нити состоят только из белков: актина и миозина;

Мышечное сокращение является сложным процессом, в ходе которого происходит преобразование энергии химических связей АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей. Источником энергии, необходимой для сокращения мышц, является АТФ. В этом процессе участвуют мышечные белки и ионы Ca2+ в саркоплазме миоцитов, концентрация которых повышается при прохождении нервного импульса – сигнала к сокращению; Во время мышечных сокращений происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна.

Расслабление мышц тоже сопровождается затратой энергии. Где же ее взять? Универсальный источник - АТФ; Содержание АТФ в мышце относительно постоянно: около 0,25% массы мышцы. Запасов АТФ в мышце достаточно только на 3 - 4 одиночных сокращения. ПОЭТОМУ необходимо постоянное и интенсивное восполнение АТФ; Что и происходит в мышцах (очень быстрый ресинтез АТФ).

Механизмы энергообеспечения мышц

Специальные реакции субстратного фосфорилирования; Гликолиз, гликогенолиз; Окислительное фосфорилирование. Первые 2 пути – без кислорода!

реакции субстратного фосфорилирования

1.Синтез АТФ из креатинфосфата - креатинфосфокиназная реакция; Креатинфосфат (КТФ) - макроэргическое вещество, которое при исчерпании запасов АТФ в работающей мышце отдает фосфорильную группу на АДФ;

Это самый быстрый способ ресинтеза АТФ; Запасов креатинфосфата хватает для обеспечения мышечной работы в течение 20 сек. Этот путь максимально эффективен: - не требует присутствия кислорода; - не дает нежелательных побочных продуктов; - включается мгновенно. Его недостаток - резерва КТФ хватает только на 20 секунд мышечной работы.

2. Миокиназная реакция. Протекает только в мышечной ткани. Суть ее состоит в том, что при взаимодействии 2 молекул АДФ образуется 1 молекула АТФ: АДФ + АДФ = АТФ + АМФ. Реакция катализируется миокиназой (аденилаткиназой); Условия для включения миокиназной реакции возникают при выраженном мышечном утомлении; Эта реакция мало эффективна; Но накопление в саркоплазме миоцитов АМФ активирует ферменты гликолиза, что приводит к повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ.

ГЛИКОЛИЗ и ГЛИКОГЕНОЛИЗ

Энергетический эффект гликолиза невелик: 2 молекулы АТФ при окислении 1 молекулы глюкозы; Примерно половина всей выделяемой энергии в данном процессе превращается в тепло и не может использоваться при работе мышц; а температура мышц повышается до 40 градусов и даже выше! Кроме того, конечный продукт гликолиза – молочная кислота: мышцы закисляются; ферменты, регулирующие сокращение мышц угнетаются; Гликолиз начинается не сразу – а только через 10-15 с после начала мышечной работы.

Но все равно этот путь энергообеспечения очень важен для упражнений, длительность которых составляет от 30 до 150 с. К ним относятся бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и др. Также за счет энергии гликолиза совершаются длительные ускорения по ходу и на финише дистанции.

Окислительное фосфорилирование

Преимущества: Это наиболее энергетически выгодный процесс - синтезируется 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы. Имеет самый большой резерв субстратов: может использоваться глюкоза, гликоген, глицерин, кетоновые тела. Продукты распада (CO2 и H2O) практически безвредны. Недостаток: требует повышенных количеств кислорода.

Важную роль в обеспечении мышечной клетки кислородом играет миоглобин, у которого сродство к кислороду больше, чем у гемоглобина: при парциальном давлении кислорода, равном 30 мм.рт.ст., миоглобин насыщается кислородом на 100 %, а гемоглобин - всего на 30 %. Поэтому миоглобин эффективно отнимает у гемоглобин доставляемый им кислород.

Изменение метаболизма при мышечной работе

Уменьшение концентрации АТФ приводит к использованию КТФ (в креатинфосфокиназной реакции); Далее включается гликолиз; Так как системе окислительного фосфорилирования необходима 1 мин для запуска. Это пусковая фаза мышечной работы; Дальше изменения метаболизма зависят от интенсивности мышечной работы.

1.Если мышечная работа длительная и небольшой интенсивности, то в дальнейшем клетка получает энергию путем окислительного фосфорилирования - это работа в "аэробной зоне"; 2. Если мышечная работа субмаксимальной интенсивности, то дополнительно к окислительному фосфорилированию включается гликолиз - это наиболее тяжелая мышечная работа - возникает "кислородный долг»; Это - работа "в смешанной зоне";

3. Если мышечная работа максимальной интенсивности, но непродолжительная, то механизм окислительного фосфорилирования не успевает включаться; Работа идет исключительно за счет гликолиза; После окончания максимальной нагрузки лактат поступает из крови в печень, где идут реакции глюконеогенеза, или лактат превращается в пируват, который дальше окисляется в митохондриях; Для окисления пирувата нужен кислород, поэтому после мышечной работы максимальной и субмаксимальной интенсивности потребление кислорода мышечными клетками повышено - возвращается кислородная задолженность (долг).

Таким образом, энергетическое обеспечение разных видов мышечной работы различно. Поэтому существует специализация мышц, причем обеспечение энергией у разных мышечных клеток принципиально различается: есть "красные" мышцы и "белые" мышцы.

Красные мышцы - "медленные" оксидативные мышцы. Они имеют хорошее кровоснабжение, много митохондрий, высокая активность ферментов окислительного фосфорилирования. Предназначены для работы в аэробном режиме. Например, такие мышцы служат для поддержания тела в определенном положении (позы, осанка). Белые мышцы - "быстрые", гликолитические. В них много гликогена, у них слабое кровоснабжение, высока активность ферментов гликолиза, креатинфосфокиназы, миокиназы. Они обеспечивают работу максимальной мощности, но кратковременную.

У человека нет специализированных мышц, но есть специализированные волокна: в мышцах-разгибателях больше "белых" волокон, в мышцах спины больше "красных" волокон. Существует наследственная предрасположенность к мышечной работе - у одних людей больше "быстрых" мышечных волокон - им рекомендуется заниматься теми видами спорта, где мышечная работа максимальной интенсивности, но кратковременная (тяжелая атлетика, бег на короткие дистанции и тому подобное). Люди, в мышцах которых больше "красных" ("медленных") мышечных волокон, наибольших успехов добиваются в тех видах спорта, где необходима длительная мышечная работа средней интенсивности, например, марафонский бег (дистанция 40 км). Для определения пригодности человека к определенному типу мышечных нагрузок используется пункционная биопсия мышц. В результате скоростных тренировок (bodybuilding) утолщаются миофибриллы, кровоснабжение возрастает, но непропорционально увеличению массы мышечных волокон, количество актина и миозина возрастает, увеличивается активность ферментов гликолиза и креатинфосфокиназы. Более полезны для организма тренировки "на выносливость". При этом мышечная масса не увеличивается, но увеличивается количество миоглобина, митохондрий и активность ферментов ГБФ-пути.

-энергетический эффект от окисления глицерина в аэробных условиях - 22 молекулы АТФ; Окисления 1 молекулы жирной кислоты – около 100 молекул АТФ