Биоэнергетика Связь обмена веществ и обмена энергии

Биоэнергетика

Связь обмена веществ и обмена энергии • Понятие энергия. • Обмен веществ неотделим от обмена энергии: одни реакции требуют затрат энергии, в ходе других реакций энергия освобождается. • Обеспечение организма энергией в удобной для него форме – одна из важнейших задач обмена веществ.

Потребность в энергии • Организм человека – открытая система, он постоянно расходует энергию и нуждается в постоянном ее притоке. • Человек тратит энергию на: -процессы синтеза (химическая работа), -работу внутренних органов, -поддержание гомеостаза, -поддержание температуры тела, -на осмотическую работу, -выполнение механической работы (особенно значительные энерготраты).

Мера энергии • Мера энергии: кал. , ккал. , Дж. , к. Дж. • 1 кал=4, 184 Дж

Источники энергии Углеводы Жиры Белки Вклад в энергетический баланс (в %) 50 -60 25 -30 10 -15 Калорийность 1 г. (в ккал) 4, 1 9, 3 4, 1

Получение энергии • Для выполнения работы организм не может использовать ни тепловую ни световую энергию. Только энергию, заключенную в химических связях АТФ. • Непосредственным источником энергии является АТФ: АТФ АДФ + Н 3 РО 4 + Эн (на работу) • Запасы АТФ восполняются (ресинтезируются) за счет энергии, освобождающейся при превращениях других веществ.

Общие принципы биоэнергетики Превращения углеводов, жиров, белков освобождающаяся энергия АДФ+Н 3 РО 4+Эн АТФ тепло

Получение энергии • Энергию для ресинтеза АТФ получает в ходе экзергонических реакций. • К экзергоническим реакциям можно отнести большинство реакций распада. • Но энергетический эффект реакций распада многих веществ может быть небольшим. • Наибольший энергетический эффект дают реакции окисления.

Реакции окисления • Взаимодействие вещества с кислородом • Отщепление водорода • Отщепление электронов

Окисление в организме • Внешне процесс получения энергии в организме напоминает горение: -источники энергии - органические вещества, -в организм поступает кислород, -конечные продукты – углекислый газ и вода. • Но…. .

Взаимодействие с кислородом • Органические вещества соединяются с кислородом только при высокой температуре. • Энергия освобождается в виде тепла и света. • Процесс соединения с кислородом (горения) трудно контролировать. • Вода – препятствие для горения. • В организме человека окисляемые вещества не взаимодействуют с кислородом.

Окисление в организме (биологическое окисление) • Окисление в организме заключается в отщеплении от окисляемого вещества водорода – раздельно 2 -х протонов ( ) и 2 -х электронов ( ). Фермент – НАД, иногда ФАД. • Носителями энергии при этом являются электроны. • Для организма важно: -эффективно использовать энергию электронов, -не допустить значительного повышения температуры. • Биологическое окисление бывает аэробным и анаэробным.

Аэробное окисление • При аэробном окислении конечным акцептором водорода является кислород. • Но НАД не передает протоны и электроны сразу кислороду. • Они проходят через цепь промежуточных переносчиков.

Система переноса протонов и электронов (дыхательная цепь)

Энергетический эффект • Энергетический эффект окисления связан с переносом электронов. • На каждом этапе переноса они теряют часть энергии. • В трех пунктах переноса освобождаются более значительные порции энергии. • В этих трех пунктах освобождается энергия, которая может быть использована организмом для выполнения работы – ресинтеза АТФ

Энергетический эффект • За счет энергии, освобождающейся при отщеплении двух атомов водорода, могут быть ресинтезированы три молекулы АТФ. • На ресинтез АТФ используется более 50% суммарного количества энергии, освобождающейся при отщеплении 2 атомов водорода.

Эффективность аэробного окисления • Есть основания считать, что у спортсменов высшей квалификации, специализирующихся в т. н. аэробных видах спорта, эффективность аэробного окисления при работе выше. При переносе по дыхательной цепи 2 -х атомов водорода может ресинтезироваться не 3, а 4 молекулы АТФ. • Ресинтез дополнительной молекулы АТФ происходит на последнем этапе переноса электронов. • Количество освобождающейся там энергии допускает это.

Энергетический эффект • Энергия, не используемая на синтез АТФ, освобождается в виде тепла. • В обычных условиях этого тепла как раз хватает для поддержания температуры тела. Т. е. полезно используется практически вся энергия. • При мышечной работе, когда процессы окисления ускоряются, тепла освобождается много и включается терморегуляция.

Регуляция скорости аэробного окисления • Главным регулятором скорости аэробного окисления является потребность в энергии, а конкретно концентрация АДФ. • При выполнении работы усиливается расщепление АТФ и повышается скорость образования АДФ. • Это вызывает повышение скорости аэробного окисления.

Свободное окисление • Свободное окисление – когда освобождающаяся при переносе электронов энергия не используется на ресинтез АТФ, а освобождается в виде тепла. • Вместо 3 -х молекул АТФ ресинтезируется 2, 1 или даже ни одной.

Роль свободного окисления • Свободное окисление включается: - при холодовом воздействии на организм, при необходимости устранить из организма (путем расщепления) какие-то нежелательные для него вещества (положительный эффект), - при неблагоприятных изменениях в организме, вызванных мышечной работой или другими причинами (отрицательный эффект).

Роль свободного окисления • При закаливании вырабатывается способность легко включать свободное окисление, чтобы противодействовать холодовому воздействию. • Под влиянием систематической тренировки в видах спорта с большими энерготратами связь между окислением и ресинтезом АТФ становится более прочной, чтобы не снижалась эффективность процессов аэробного окисления.

Вывод • Серьезная тренировка в таких видах спорта и закаливание – трудно совместимые процессы.

Локализация процессов аэробного окисления • Процессы аэробного окисления происходят в митохондриях клеток, т. е в каждой клетке организма. • Внутренняя поверхность оболочки митохондрий образует складки (кристы), на которых в строгой последовательности располагаются ферменты и промежуточные переносчики протонов и электронов.

Обеспечение тканей кислородом • Путь кислорода к местам использования очень сложный. • Доставка кислорода к местам использования обеспечивается деятельностью дыхательной и сердечно-сосудистой систем, системой крови. • К доставке кислорода имеет отношение миоглобин. • Возможности организма по доставке кислорода к работающим тканям и органам считаются главным фактором, ограничивающим аэробное энергообеспечение.

Показатели уровня развития системы аэробного энергообеспечения • Важнейший показатель – максимальное потребление кислорода (МПК). • Абсолютные и относительные значения МПК. • Условия определения и критерии достижения МПК. • Важную информацию о состоянии системы аэробного энергообеспечения дает ПАНО.

Анаэробное окисление • При значительных энерготратах (в процессе выполнения интенсивной мышечной работы) кислорода может не хватать. • В этом случае вся система переноса протонов и электронов оказывается забита ими. • Тогда может происходить анаэробное окисление.

Анаэробное окисление 2 • При недостатке кислорода НАД может передавать протоны и электроны какому-то временному акцептору. Чаще всего таким временным акцептором является пировиноградная кислота