Презентация на тему Энергетический обмен

и её роль в энергетическом обмене;

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.

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;

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.

преобладают аэробные условия, то большую часть энергии живые организмы

получают за счет окислительно-восстановительных процессов – за счет окисления органических веществ атмосферным кислородом (хемотрофы);

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;

выделять два противоположных процесса: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм –

это процесс распада веществ с выделением энергии;

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.

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.

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.

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;

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.

связях между остатками фосфорной кислоты.


ГИДРОЛИЗ (от греч. hydor-вода и lysis

- разложение, распад), обменная р-ция между в-вом и водой

- 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.

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

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

- в зелёных растениях (используется солнечная энергия);
Энергия запасается и

в этом случае в макроэргических связях АТФ.

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.

- 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.

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;

с обязательным участием кислорода.
Протекает в митохондриях клеток;
Его конечные продукты

– углекислый газ и вода;

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.

с образованием энергии в виде АТФ.
Может протекать:
в аэробных

условиях (если доступен кислород) - аэробный гликолиз;
в отсутствие кислорода - анаэробный гликолиз.

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!

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.

распаде гликогена (основной формы хранения глюкозы в организме);
Конечный продукт

окисления – также молочная кислота;
Энергетический эффект – 3 молекулы АТФ.

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.

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.

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 !!

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).

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.

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.

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.

ядро;
митохондрии;
цитоплазматическую сеть (саркоплазматическая сеть);
клеточную оболочку мышечной

клетки – сарколемму.

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%.

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;

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;

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.

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).

2 пути – без кислорода!

реакция;
Креатинфосфат (КТФ) - макроэргическое вещество, которое при исчерпании запасов

АТФ в работающей мышце отдает фосфорильную группу на АДФ;

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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";

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).

различно.
Поэтому существует специализация мышц, причем обеспечение энергией у

разных мышечных клеток принципиально различается: есть "красные" мышцы и "белые" мышцы.

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.

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.