يخضع الطعام الذي يدخل جسم الإنسان إلى تحولات كيميائية معقدة، أي. يخضع جزئيا للأكسدة أو التحلل اللاهوائي. يطلق التحلل اللاهوائي الطاقة الكيميائية اللازمة للحركة، وكذلك لتخليق المواد الضرورية للجسم.

تتكون عملية التمثيل الغذائي في الكائنات الحية من عمليتين مترابطتين:

• بناء
• الهدم

الابتنائية أو الاستيعاب– التوليف من مركبات أبسط وأكثر تعقيدًا تعتمد على المواد التي تدخل الجسم من البيئة الخارجية.

على سبيل المثال، تتشكل المادة العضوية في النباتات الخضراء من خلال عملية التمثيل الضوئي من ثاني أكسيد الكربون والماء.

تقويض أو dissimilation– عملية معاكسة لعملية الابتناء. أثناء عملية الهدم، تتحلل المركبات المعقدة إلى مركبات أبسط، والتي يتم إطلاقها بعد ذلك كمنتجات نهائية في البيئة.

في عملية الهدم، المصدر الرئيسي للكربوهيدرات هو الكربوهيدرات التي يتم تفكيكها بواسطة الإنزيمات المحللة. إذا تم تحلل النشا في النباتات أثناء إنبات البذور بواسطة إنزيم الأميليز لتكوين مالتوز ثنائي السكاريد، ثم في الحيوانات، تحت تأثير الأميليز اللعابي والبنكرياس، مكونًا المالتوز. بعد ذلك، يتم تحويل المالتوز، تحت تأثير إنزيم المالتاز، إلى جلوكوز، والذي، نتيجة التخمر، وتحلل السكر، والتنفس، ينقسم في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. تتراكم الطاقة المنبعثة خلال هذه العمليات في الجسم. لقد ثبت أن احتراق جرام واحد من الكربوهيدرات يطلق 4.1 سعرة حرارية (17.22 كيلوجول).

يبدأ تقويض الدهون والبروتينات أيضًا بانهيارها المائي تحت تأثير إنزيمات معينة، مع تكوين في الحالة الأولى أحماض دهنية مجانية وجلسرين، في الحالة الثانية - الببتيدات ذات الوزن الجزيئي المنخفض والأحماض الأمينية.

يمكن تقسيم عملية الأيض أو التمثيل الغذائي إلى ثلاث مراحل:

• الأول هو الهضم، والذي يتكون من المعالجة الميكانيكية والكيميائية للطعام في الأعضاء الهضمية وامتصاص العناصر الغذائية.
• المرحلة الثانية هي عملية التمثيل الغذائي المتوسطة، والتي تشمل عمليات انهيار وتخليق المواد. ويرافق هذه العملية تكوين المنتجات الأيضية المتوسطة والنهائية. على سبيل المثال، يخضع الجلوكوز لعدد من التحولات الوسيطة قبل أن يتم تحويله إلى المنتجات النهائية لتبادل ثاني أكسيد الكربون وH2O.
• المرحلة الثالثة هي إطلاق المنتجات الأيضية من الجسم مع هواء الزفير والبول وما إلى ذلك. تسمى المواد التي تؤثر على مسار التفاعلات الأيضية المستقلبات. وتشمل هذه الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والسكريات والقواعد النيتروجينية والمركبات الأخرى.

يرتبط التمثيل الغذائي أو التمثيل الغذائي ارتباطًا وثيقًا بتحويل الطاقة. يحتاج الكائن الحي باستمرار إلى الطاقة من البيئة الخارجية. وقد وجد أنه أثناء عملية التمثيل الضوئي، أي. بتحويل طاقة ضوء الشمس، يتم تخزين الأخير على شكل طاقة كيميائية محتملة في المواد العضوية. تتراكم الطاقة الكيميائية المحتملة، التي تتشكل نتيجة تحلل الكربوهيدرات والدهون وغيرها من المركبات الجزيئية العالية، أو تتراكم في مركبات عالية الطاقة.

في عمليات التبادل، يتم إطلاق الطاقة على النحو التالي. أولاً، تتحلل المواد ذات الجزيئات العالية مائيًا إلى مواد ذات جزيئات منخفضة؛ على سبيل المثال، السكريات - إلى السكريات الأحادية؛ البروتينات - للأحماض الأمينية. الدهون - للأحماض الدهنية والجلسرين. في الوقت نفسه، فإن الطاقة المنبعثة أثناء التحلل المائي لهذه المواد ضئيلة للغاية. بعد ذلك، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في عملية تحلل السكر وأكسدة الأحماض الدهنية والأحماض الأمينية. من بين منتجات التحلل المائي، هناك ثلاثة ذات أهمية طاقة أساسية: أسيتيل أنزيم أ، وحمض كيتوجلوتاريك ب، وحمض أوكسالوسيتيك. تخضع هذه المواد للأكسدة من خلال دورة حمض ثنائي ثلاثي الكربوكسيل (دورة كريبس). يتم إطلاق حوالي ثلثي الطاقة في دورة كريبس.

يلتقط ATP ويخزن الطاقة المنطلقة أثناء تحلل المركبات العضوية ذات الوزن الجزيئي العالي في الجسم. وفي الوقت نفسه، يتم تصنيع ATP في الخلية وتتراكم الطاقة في روابط الفسفور الخاصة بها. أثناء تخليق البروتينات، وكذلك أثناء عمل الأعضاء والعضلات، يحدث انهيار ATP في موقع الروابط عالية الطاقة مع إطلاق الطاقة. تعمل الطاقة الناتجة كمصدر للتوليف، وكذلك للعمليات الحركية.

ويترتب على ما سبق أن ATP هو حلقة وصل بين عمليتين متعارضتين، حيث يقوم بتجميع الطاقة أثناء تحلل المواد، ويطلقها أثناء الاستيعاب.

يمكن توضيح الدور البيولوجي لـ ATP في الطاقة الأيضية باستخدام مثال القلب النابض. عند التفاعل مع بروتينات انقباض العضلات، يوفر ATP الطاقة اللازمة لانقباض القلب ودفع الدم إلى الدورة الدموية. في الوقت نفسه، من أجل الأداء السلس للقلب، من الضروري التجديد المستمر لكمية ATP. إذا لم يحصل القلب على الكمية المطلوبة من المواد الغذائية و"الوقود" (الكربوهيدرات ومنتجات تحللها)، وكذلك الأكسجين اللازم لتكوين ATP، يحدث انتهاك لعمل القلب.

يتم إنتاج الكمية اللازمة من ATP لعمل الأعضاء المختلفة في الكائنات الخلوية - الميتوكوندريا في عملية الفسفرة التأكسدية.

طاقة نشاط العضلات

كما سبق ذكره، فإن كلا مرحلتي نشاط العضلات - الانقباض والاسترخاء - تحدث مع الاستخدام الإلزامي للطاقة، والتي يتم إطلاقها أثناء التحلل المائي لـ ATP.

ومع ذلك، فإن احتياطيات ATP في خلايا العضلات ضئيلة (في حالة الراحة، يكون تركيز ATP في العضلات حوالي 5 مليمول / لتر)، وهي كافية لعمل العضلات لمدة 1-2 ثانية. لذلك، لضمان نشاط عضلي أطول، يجب تجديد احتياطيات ATP في العضلات. يُطلق على تكوين ATP في خلايا العضلات مباشرة أثناء العمل البدني إعادة تكوين ATP ويأتي مع استهلاك الطاقة.

وبالتالي، عندما تعمل العضلات، تحدث عمليتان في وقت واحد: التحلل المائي ATP، الذي يوفر الطاقة اللازمة للتقلص والاسترخاء، وإعادة تكوين ATP، الذي يعوض فقدان هذه المادة. إذا تم استخدام الطاقة الكيميائية للـATP فقط لضمان تقلص العضلات واسترخائها، فإن الطاقة الكيميائية لمجموعة واسعة من المركبات تكون مناسبة لإعادة تكوين الـATP: الكربوهيدرات والدهون والأحماض الأمينية وفوسفات الكرياتين.

الهيكل والدور البيولوجي للATP

أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو نيوكليوتيد. يتكون جزيء ATP (حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك) من قاعدة الأدينين النيتروجينية، وريبوز السكر الخماسي الكربون، وثلاث بقايا حمض الفوسفوريك المتصلة بواسطة رابطة عالية الطاقة. عندما يتم تحلله، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. ATP هو المحرك الرئيسي للخلية، وهو تراكم الطاقة في شكل طاقة الروابط الكيميائية عالية الطاقة.

في ظل الظروف الفسيولوجية، أي في ظل تلك الظروف الموجودة في الخلية الحية، فإن انهيار مول من ATP (506 جم) يكون مصحوبًا بإطلاق 12 كيلو كالوري، أو 50 كيلوجول من الطاقة.

مسارات لتشكيل ATP

الأكسدة الهوائية (التنفس الأنسجة)

المرادفات: الفسفرة التأكسدية، الفسفرة التنفسية، الفسفرة الهوائية.

يحدث هذا المسار في الميتوكوندريا.

تم اكتشاف دورة حمض ثلاثي الكربوكسيل لأول مرة من قبل عالم الكيمياء الحيوية الإنجليزي ج. كريبس (الشكل 4).

يتم تحفيز التفاعل الأول بواسطة إنزيم سيترات سينسيز، حيث تتكثف مجموعة الأسيتيل من أسيتيل CoA مع أوكسالوسيتات، مما يؤدي إلى تكوين حامض الستريك. على ما يبدو، في هذا التفاعل، يتم تشكيل citril-CoA المرتبط بالإنزيم كمنتج وسيط. ثم يتحلل الأخير تلقائيًا وبشكل لا رجعة فيه ليشكل السيترات و HS-CoA.

نتيجة للتفاعل الثاني، يخضع حمض الستريك الناتج للتجفيف ليشكل حمض cis-aconic، والذي، بإضافة جزيء الماء، يصبح حمض الإيزوسيتريك (الإيزوسيترات). يتم تحفيز تفاعلات الجفاف والترطيب القابلة للعكس بواسطة إنزيم هيدراتاز أكونيتات (أكونيتاز). ونتيجة لذلك، تحدث حركة متبادلة لـ H وOH في جزيء السيترات.

أرز. 4. دورة حمض ثلاثي الكربوكسيل (دورة كريبس)

ويبدو أن رد الفعل الثالث يحد من معدل دورة كريبس. يتم نزع هيدروجين حمض الإيزوتريك في وجود هيدروجيناز إيزوسيترات المعتمد على NAD. أثناء تفاعل هيدروجيناز الإيزوسيترات، يتم نزع الكربوكسيل من حمض الإيزوتريك في نفس الوقت. إن إنزيم إيزوسيترات ديهيدروجينيز المعتمد على NAD هو إنزيم تفارغي يتطلب ADP كمنشط محدد. بالإضافة إلى ذلك، يحتاج الإنزيم إلى أيونات ليظهر نشاطه.

خلال التفاعل الرابع، يحدث نزع الكربوكسيل التأكسدي لحمض ألفا-كيتوجلوتاريك لتكوين مركب عالي الطاقة هو السكسينيل-CoA. آلية هذا التفاعل مشابهة لتفاعل نزع الكربوكسيل التأكسدي من البيروفات إلى أسيتيل مرافق الإنزيم أ؛ يشبه مجمع هيدروجيناز α-كيتوجلوتارات في هيكله مجمع هيدروجيناز البيروفات. في كلتا الحالتين، تشارك 5 إنزيمات مساعدة في التفاعل: TPP، أميد حمض ليبويك، HS-CoA، FAD وNAD+.

يتم تحفيز التفاعل الخامس بواسطة إنزيم إنزيم succinyl-CoA Synthetase. خلال هذا التفاعل، يتم تحويل succinyl-CoA، بمشاركة GTP والفوسفات غير العضوي، إلى حمض السكسينيك (السكسينات). في الوقت نفسه، يحدث تكوين رابطة فوسفات عالية الطاقة من GTP بسبب رابطة ثيويثر عالية الطاقة من succinyl-CoA.

نتيجة للتفاعل السادس، يتم نزع هيدروجين السكسينات إلى حمض الفوماريك. يتم تحفيز أكسدة السكسينات بواسطة هيدروجيناز السكسينات.

في جزيء يرتبط فيه الإنزيم المساعد FAD ارتباطًا وثيقًا (تساهميًا) بالبروتين. بدوره، يرتبط هيدروجيناز السكسينات بإحكام بالغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

يتم التفاعل السابع تحت تأثير إنزيم فوماريت هيدراتاز (فوماراز). يتم ترطيب حمض الفوماريك الناتج، ويكون منتج التفاعل هو حمض الماليك (مالات).

أخيرًا، أثناء التفاعل الثامن لدورة حمض ثلاثي الكربوكسيل، تحت تأثير هيدروجيناز المالات المعتمد على الميتوكوندريا NAD، يتأكسد L-مالات إلى أوكسالوسيتات.

خلال دورة واحدة، يمكن لأكسدة جزيء واحد من أسيتيل CoA في دورة كريبس ونظام الفسفرة التأكسدية إنتاج 12 جزيء ATP.

الأكسدة اللاهوائية

المرادفات: فسفرة الركيزة، تخليق ATP اللاهوائي. العائدات في السيتوبلازم، والهيدروجين المنفصل ينضم إلى مادة أخرى. اعتمادًا على الركيزة، يتم التمييز بين طريقين لإعادة تصنيع ATP اللاهوائي: فوسفات الكرياتين (الكرياتين كيناز، الألاكتيك) ومحلل السكر (تحلل السكر، اللاكتات). في الحالة العصبية، الركيزة هي فوسفات الكرياتين، في الثانية - الجلوكوز.

تحدث هذه المسارات دون مشاركة الأكسجين.

السكريات الأحادية(السكريات البسيطة) تتكون من جزيء واحد يحتوي على من 3 إلى 6 ذرات كربون. السكريات الثنائية- المركبات المتكونة من اثنين من السكريات الأحادية. السكريات هي مواد جزيئية عالية تتكون من عدد كبير (من عدة عشرات إلى عدة عشرات الآلاف) من السكريات الأحادية.

توجد مجموعة متنوعة من الكربوهيدرات بكميات كبيرة في الكائنات الحية. وظائفهم الرئيسية:

1. الطاقة: تعتبر الكربوهيدرات المصدر الرئيسي للطاقة في الجسم. ومن بين السكريات الأحادية، الفركتوز، الذي يوجد على نطاق واسع في النباتات (في الفواكه بشكل أساسي)، وخاصة الجلوكوز (يطلق تحليل جرام واحد منه 17.6 كيلوجول من الطاقة). يوجد الجلوكوز في الفواكه وأجزاء أخرى من النباتات، وفي الدم والأنسجة الليمفاوية والحيوانية. من بين السكريات الثنائية، من الضروري التمييز بين السكروز (قصب السكر أو البنجر)، الذي يتكون من الجلوكوز والفركتوز، واللاكتوز (سكر الحليب)، الذي يتكون من مركب الجلوكوز والجلاكتوز. يوجد السكروز في النباتات (الفاكهة بشكل رئيسي)، ويوجد اللاكتوز في الحليب. أنها تلعب دورا حيويا في تغذية الحيوانات والبشر. السكريات مثل النشا والجليكوجين، ومونومرها هو الجلوكوز، لها أهمية كبيرة في عمليات الطاقة. وهي مواد احتياطية للنباتات والحيوانات على التوالي. إذا كان هناك كمية كبيرة من الجلوكوز في الجسم، فإنه يستخدم لتركيب هذه المواد التي تتراكم في خلايا الأنسجة والأعضاء. ولذلك يوجد النشا بكميات كبيرة في الفواكه، والبذور، ودرنات البطاطس؛ الجليكوجين - في الكبد والعضلات. حسب الحاجة، يتم تكسير هذه المواد، وتزويد الجلوكوز إلى أعضاء وأنسجة الجسم المختلفة.
2. البنيوية: على سبيل المثال، تشارك السكريات الأحادية مثل الديوكسيريبوز والريبوز في تكوين النيوكليوتيدات. تشكل الكربوهيدرات المختلفة جزءًا من جدران الخلايا (السليلوز في النباتات والكيتين في الفطريات).

الدهون (الدهون)- المواد العضوية غير القابلة للذوبان في الماء (كارهة للماء)، ولكنها قابلة للذوبان بسهولة في المذيبات العضوية (الكلوروفورم والبنزين وغيرها). يتكون جزيئهم من الجلسرين والأحماض الدهنية. تنوع الأخير يحدد تنوع الدهون. توجد الفوسفوليبيدات (التي تحتوي، بالإضافة إلى الأحماض الدهنية، على بقايا حمض الفوسفوريك) والجليكوليبيدات (مركبات الدهون والسكريات) على نطاق واسع في أغشية الخلايا.

وظائف الدهون هي الهيكلية والحيوية والوقائية.

الأساس الهيكلي لغشاء الخلية هو طبقة ثنائية الجزيئية (تتكون من طبقتين من الجزيئات) من الدهون، والتي يتم دمج جزيئات البروتينات المختلفة فيها.

عندما يتم تكسير 1 جرام من الدهون، يتم إطلاق 38.9 كيلوجول من الطاقة، وهو ما يقرب من ضعف ما يتم تحريره عند تحلل 1 جرام من الكربوهيدرات أو البروتينات. يمكن أن تتراكم الدهون في خلايا الأنسجة والأعضاء المختلفة (الكبد، الأنسجة تحت الجلد في الحيوانات، البذور في النباتات)، بكميات كبيرة تشكل مخزونًا كبيرًا من "الوقود" في الجسم.

نظرًا لوجود موصلية حرارية ضعيفة، تلعب الدهون دورًا مهمًا في الحماية من انخفاض حرارة الجسم (على سبيل المثال، طبقات من الدهون تحت الجلد في الحيتان وذوات الأقدام).

ATP (الأدينوزين ثلاثي الفوسفات).إنه بمثابة حامل عالمي للطاقة في الخلايا. لا يمكن استخدام الطاقة المنطلقة أثناء تحلل المواد العضوية (الدهون والكربوهيدرات والبروتينات وغيرها) بشكل مباشر لأداء أي عمل، ولكن يتم تخزينها في البداية على شكل ATP.

يتكون أدينوسين ثلاثي الفوسفات من القاعدة النيتروجينية الأدينين والريبوز وثلاثة جزيئات (أو بالأحرى بقايا) من حمض الفوسفوريك (الشكل 1).

أرز. 1. تكوين جزيء ATP

عندما يتم التخلص من بقايا حمض الفوسفوريك، يتم تشكيل ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) ويتم إطلاق حوالي 30 كيلوجول من الطاقة، والتي يتم إنفاقها على أداء بعض الأعمال في الخلية (على سبيل المثال، تقلص الخلية العضلية، وعمليات تخليق المواد العضوية). ، إلخ.):

نظرا لأن إمدادات ATP في الخلية محدودة، يتم استعادتها باستمرار بسبب الطاقة المنطلقة أثناء انهيار المواد العضوية الأخرى؛ يحدث اختزال ATP عن طريق إضافة جزيء حمض الفوسفوريك إلى ADP:

وهكذا يمكن التمييز بين مرحلتين رئيسيتين في التحول البيولوجي للطاقة:

1) تصنيع ATP - تخزين الطاقة في الخلية؛

2) إطلاق الطاقة المخزنة (في عملية انهيار ATP) لأداء العمل في الخلية.

حمض الأدينوسين ثلاثي الفوسفوريك-ATP- عنصر طاقة أساسي لأي خلية حية. ATP هو أيضًا نيوكليوتيد يتكون من قاعدة الأدينين النيتروجينية وسكر الريبوز وثلاثة بقايا جزيء حمض الفوسفوريك. هذا هيكل غير مستقر. في العمليات الأيضية، يتم فصل بقايا حمض الفوسفوريك عنه بشكل تسلسلي عن طريق كسر الرابطة الغنية بالطاقة ولكن الهشة بين بقايا حمض الفوسفوريك الثاني والثالث. ويصاحب انفصال جزيء واحد من حمض الفوسفوريك إطلاق حوالي 40 كيلوجول من الطاقة. في هذه الحالة، يتم تحويل ATP إلى حمض الأدينوزين ثنائي فوسفوريك (ADP)، ومع مزيد من الانقسام لبقايا حمض الفوسفوريك من ADP، يتم تشكيل حمض الأدينوزين أحادي الفوسفوريك (AMP).

مخطط هيكل ATP وتحويله إلى ADP (ت. كوزلوفا ، ف.س. كوشمينكو. علم الأحياء في الجداول. م، 2000 )

وبالتالي، فإن ATP هو نوع من تراكم الطاقة في الخلية، والذي يتم "تفريغه" عندما يتم تفكيكه. يحدث انهيار ATP أثناء تفاعلات تخليق البروتينات والدهون والكربوهيدرات وأي وظائف حيوية أخرى للخلايا. تحدث هذه التفاعلات مع امتصاص الطاقة التي يتم استخلاصها أثناء تحلل المواد.

يتم تصنيع ATPفي الميتوكوندريا على عدة مراحل. اول واحد هو تحضيري -تتم على مراحل، بمشاركة إنزيمات محددة في كل مرحلة. في هذه الحالة، يتم تقسيم المركبات العضوية المعقدة إلى مونومرات: البروتينات إلى أحماض أمينية، والكربوهيدرات إلى جلوكوز، والأحماض النووية إلى نيوكليوتيدات، وما إلى ذلك. ويصاحب كسر الروابط في هذه المواد إطلاق كمية صغيرة من الطاقة. يمكن أن تخضع المونومرات الناتجة، تحت تأثير الإنزيمات الأخرى، لمزيد من التحلل لتكوين مواد أبسط، تصل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

مخطط تخليق ATP في الميتوكوندريا الخلية

تفسيرات للرسم التخطيطي للتحول للمواد والطاقة في عملية التفكيك

المرحلة الأولى - التحضيرية: تنقسم المواد العضوية المعقدة تحت تأثير الإنزيمات الهاضمة إلى مواد بسيطة ويتم إطلاق الطاقة الحرارية فقط.
البروتينات ->الأحماض الأمينية
الدهون- > الجلسرين والأحماض الدهنية
نشاء ->الجلوكوز

المرحلة الثانية - تحلل السكر (خالي من الأكسجين): يتم إجراؤه في الهيالوبلازم، ولا يرتبط بالأغشية؛ أنها تنطوي على الإنزيمات. يتم تقسيم الجلوكوز:

في فطريات الخميرة، يتم تحويل جزيء الجلوكوز دون مشاركة الأكسجين إلى كحول إيثيلي وثاني أكسيد الكربون (تخمر كحولي):

في الكائنات الحية الدقيقة الأخرى، يمكن أن يؤدي تحلل السكر إلى تكوين الأسيتون وحمض الأسيتيك وما إلى ذلك. وفي جميع الحالات، يكون انهيار جزيء الجلوكوز مصحوبًا بتكوين جزيئين ATP. أثناء تحلل الجلوكوز الخالي من الأكسجين على شكل رابطة كيميائية في جزيء ATP، يتم الاحتفاظ بـ 40% من الطاقة، ويتبدد الباقي على شكل حرارة.

المرحلة الثالثة - التحلل المائي (الأكسجين): يتم إجراؤه في الميتوكوندريا، ويرتبط بمصفوفة الميتوكوندريا والغشاء الداخلي، وتشارك فيها الإنزيمات، ويتحلل حمض اللاكتيك: C3H6O3 + 3H20 --> 3CO2+ 12H. يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) من الميتوكوندريا إلى البيئة. تدخل ذرة الهيدروجين في سلسلة من التفاعلات تكون نتيجتها النهائية تخليق ATP. تحدث هذه التفاعلات بالتسلسل التالي:

1. تدخل ذرة الهيدروجين H، بمساعدة الإنزيمات الحاملة، إلى الغشاء الداخلي للميتوكوندريا، لتشكل أعرافًا، حيث تتأكسد: H-e--> ح+

2. بروتون الهيدروجين ح+يتم نقل (الكاتيون) بواسطة الناقلات إلى السطح الخارجي للغشاء الأعراف. هذا الغشاء غير منفذ للبروتونات، لذلك تتراكم في الفضاء بين الغشائي، وتشكل خزانًا للبروتونات.

3. إلكترونات الهيدروجين هيتم نقلها إلى السطح الداخلي للغشاء العرفاني وتعلق على الفور بالأكسجين باستخدام إنزيم أوكسيديز، مما يشكل أكسجين نشط سالب الشحنة (أنيون): O2 + e--> O2-

4. تخلق الكاتيونات والأنيونات الموجودة على جانبي الغشاء مجالًا كهربائيًا مشحونًا بشكل معاكس، وعندما يصل فرق الجهد إلى 200 مللي فولت، تبدأ قناة البروتون في العمل. ويحدث في جزيئات إنزيمات إنزيم ATP Synthetase، والتي تكون مدمجة في الغشاء الداخلي الذي يشكل الأعراف.

5. تمر بروتونات الهيدروجين عبر قناة البروتون ح+تندفع داخل الميتوكوندريا، مما يخلق مستوى عاليًا من الطاقة، يذهب معظمها إلى تخليق ATP من ADP وP (ADP+P-->ATP)، والبروتونات ح+تتفاعل مع الأكسجين النشط، وتشكل الماء والجزيئي 02:
(4Н++202- -->2Н20+02)

وبالتالي، فإن O2، الذي يدخل الميتوكوندريا أثناء عملية التنفس في الجسم، ضروري لإضافة بروتونات الهيدروجين H. وفي غيابه، تتوقف العملية برمتها في الميتوكوندريا، حيث تتوقف سلسلة نقل الإلكترون عن العمل. رد الفعل العام للمرحلة الثالثة:

(2C3NbOz + 6Oz + 36ADP + 36F ---> 6C02 + 36ATP + +42H20)

نتيجة لانهيار جزيء الجلوكوز واحد، يتم تشكيل 38 جزيء ATP: في المرحلة الثانية - 2 ATP وفي المرحلة الثالثة - 36 ATP. تتجاوز جزيئات ATP الناتجة الميتوكوندريا وتشارك في جميع العمليات الخلوية التي تحتاج إلى الطاقة. عند الانقسام، يطلق ATP الطاقة (تحتوي رابطة الفوسفات الواحدة على 40 كيلو جول) ويعود إلى الميتوكوندريا على شكل ADP وP (فوسفات).

ما الذي يجعل الشخص يتحرك؟ ما هو استقلاب الطاقة؟ من أين تأتي طاقة الجسم؟ الى متى سوف يستمر؟ خلال أي نشاط بدني، ما هي الطاقة المستهلكة؟ كما ترون، هناك الكثير من الأسئلة. لكن معظمها يظهر عند البدء بدراسة هذا الموضوع. سأحاول أن أجعل الحياة أسهل للأشخاص الأكثر فضولًا وأوفر الوقت. يذهب…

استقلاب الطاقة عبارة عن مجموعة من ردود الفعل لتحلل المواد العضوية المصحوبة بإطلاق الطاقة.

لضمان الحركة (خيوط الأكتين والميوسين في العضلات)، تحتاج العضلة إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). عندما تنكسر الروابط الكيميائية بين الفوسفات، يتم إطلاق الطاقة التي تستخدمها الخلية. في هذه الحالة، يمر ATP إلى حالة ذات طاقة أقل إلى أدينوسين ثنائي فوسفات (ADP) والفوسفور غير العضوي (P).

إذا أنتجت العضلة عملًا، فإن ATP يتحلل باستمرار إلى ADP وفوسفور غير عضوي، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة (حوالي 40-60 كيلوجول/مول). للعمل على المدى الطويل، من الضروري استعادة ATP بالمعدل الذي تستخدم به الخلية هذه المادة.

تختلف مصادر الطاقة المستخدمة في العمل على المدى القصير والقصير والطويل. يمكن إنتاج الطاقة لاهوائيًا (خالية من الأكسجين) وهوائيًا (تأكسديًا). ما هي الصفات التي يطورها الرياضي عند التدريب في المنطقة الهوائية أو اللاهوائية، كتبت في المقال "".

هناك ثلاثة أنظمة طاقة تدعم النشاط البدني للإنسان:

1. الأكتات أو الفوسفاجين (اللاهوائية). ويرتبط بعمليات إعادة تصنيع ATP بشكل رئيسي بسبب مركب الفوسفات عالي الطاقة – فوسفات الكرياتين (CrP).
2. حال السكر (اللاهوائي). يوفر إعادة تخليق ATP وKrP بسبب تفاعلات التحلل اللاهوائي للجليكوجين و/أو الجلوكوز إلى حمض اللاكتيك (اللاكتات).
3. الهوائية (الأكسدة). القدرة على أداء العمل بسبب أكسدة الكربوهيدرات والدهون والبروتينات مع زيادة توصيل واستخدام الأكسجين في العضلات العاملة في نفس الوقت.

مصادر الطاقة للتشغيل على المدى القصير.

يوفر جزيء ATP (Adenosine TriPhosphate) طاقة يمكن الوصول إليها بسرعة للعضلات. هذه الطاقة تكفي لمدة 1-3 ثواني. يتم استخدام هذا المصدر للتشغيل الفوري والأقصى للقوة.

ATP + H2O ⇒ ADP + P + الطاقة

في الجسم، يعد ATP واحدًا من أكثر المواد التي يتم تجديدها بشكل متكرر؛ وبالتالي، في البشر، يكون عمر جزيء ATP أقل من دقيقة واحدة. خلال اليوم، يمر جزيء ATP واحد بمتوسط ​​2000-3000 دورة من إعادة التركيب (يصنع جسم الإنسان حوالي 40 كجم من ATP يوميًا، ولكنه يحتوي على حوالي 250 جم في أي لحظة معينة)، أي أنه لا يوجد عمليًا احتياطي ATP يتم إنشاؤها في الجسم، ومن أجل الحياة الطبيعية من الضروري تصنيع جزيئات ATP جديدة باستمرار.

يتم تجديد ATP بواسطة CrP (فوسفات الكرياتين)، وهو الجزيء الثاني من الفوسفات، الذي يتمتع بطاقة عالية في العضلات. يتبرع CrP بجزيء الفوسفات إلى جزيء ADP لتكوين ATP، مما يسمح للعضلة بالعمل لفترة معينة.

تبدو هكذا:

ADP+KrP ⇒ ATP + Kr

يستمر احتياطي KrF لمدة تصل إلى 9 ثوانٍ. عمل. في هذه الحالة، تحدث ذروة الطاقة عند 5-6 ثواني. يحاول العدائون المحترفون زيادة هذا الخزان (احتياطي KrF) بشكل أكبر من خلال التدريب إلى 15 ثانية.

وفي الحالة الأولى والثانية، تحدث عملية تكوين ATP في الوضع اللاهوائي، دون مشاركة الأكسجين. تحدث عملية إعادة تصنيع ATP بسبب CrP على الفور تقريبًا. يتمتع هذا النظام بأكبر قوة مقارنة بنظام تحليل السكر والهوائي ويوفر عملاً "متفجرًا" بأقصى قدر من القوة وسرعة تقلصات العضلات. هذا ما يبدو عليه استقلاب الطاقة أثناء العمل قصير المدى، وبعبارة أخرى، هذه هي الطريقة التي يعمل بها نظام إمداد الطاقة في الجسم.

مصادر الطاقة للتشغيل على المدى القصير.

من أين يحصل الجسم على الطاقة أثناء العمل قصير المدى؟ في هذه الحالة يكون المصدر هو الكربوهيدرات الحيوانية الموجودة في عضلات وكبد الإنسان - الجليكوجين. تسمى العملية التي يعزز الجليكوجين من خلالها إعادة تصنيع ATP وإطلاق الطاقة التحلل اللاهوائي(نظام إمداد الطاقة الجليكوليتيك).

تحلل السكرهي عملية أكسدة الجلوكوز يتم فيها تكوين جزيئين من حمض البيروفيك (البيروفيت) من جزيء واحد من الجلوكوز. مزيد من التمثيل الغذائي لحمض البيروفيك ممكن بطريقتين - الهوائية واللاهوائية.

أثناء العمل الهوائيةويشارك حمض البيروفيك (البيروفيت) في عملية التمثيل الغذائي والعديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية في الجسم. يتم تحويله إلى أسيتيل أنزيم A، الذي يشارك في دورة كريبس لضمان التنفس في الخلية. في حقيقيات النوى (خلايا الكائنات الحية التي تحتوي على نواة، أي في الخلايا البشرية والحيوانية)، تحدث دورة كريبس داخل الميتوكوندريا (MC، هذه هي محطة الطاقة للخلية).

دورة كريبس(دورة حمض ثلاثي الكربوكسيل) هي مرحلة أساسية في تنفس جميع الخلايا التي تستخدم الأكسجين، فهي مركز تقاطع العديد من المسارات الأيضية في الجسم. بالإضافة إلى دورها النشط، فإن لدورة كريبس وظيفة بلاستيكية مهمة. من خلال المشاركة في العمليات البيوكيميائية، فإنه يساعد على تصنيع مركبات خلوية مهمة مثل الأحماض الأمينية، والكربوهيدرات، والأحماض الدهنية، وما إلى ذلك.

إذا لم يكن هناك ما يكفي من الأوكسجينأي أن العمل يتم في الوضع اللاهوائي، ثم يتعرض حمض البيروفيك في الجسم للتحلل اللاهوائي مع تكوين حمض اللاكتيك (اللاكتات)

يتميز النظام اللاهوائي السكري بقوة عالية. تبدأ هذه العملية تقريبًا منذ بداية العمل وتصل إلى الطاقة بعد 15-20 ثانية. العمل بأقصى شدة، ولا يمكن الحفاظ على هذه القوة لأكثر من 3 إلى 6 دقائق. بالنسبة للمبتدئين الذين بدأوا للتو في ممارسة الرياضة، فإن الطاقة تكفي بالكاد لمدة دقيقة واحدة.

تعمل الكربوهيدرات - الجليكوجين والجلوكوز - كركائز طاقة لتزويد العضلات بالطاقة. إجمالي احتياطي الجليكوجين في جسم الإنسان يكفي لمدة 1-1.5 ساعة من العمل.

كما ذكر أعلاه، نتيجة للقوة العالية ومدة العمل اللاهوائي السكري، يتم تشكيل كمية كبيرة من اللاكتات (حمض اللاكتيك) في العضلات.

الجليكوجين ⇒ ATP + حمض اللاكتيك

يدخل اللاكتات من العضلات إلى الدم ويرتبط بالأنظمة العازلة للدم للحفاظ على البيئة الداخلية للجسم. إذا زاد مستوى اللاكتات في الدم، فقد لا تتمكن الأنظمة العازلة في مرحلة ما من التعامل، الأمر الذي سيؤدي إلى تحول في التوازن الحمضي القاعدي إلى الجانب الحمضي. عندما يتحمض، يصبح الدم سميكا ولا تستطيع خلايا الجسم الحصول على الأكسجين والتغذية اللازمة. ونتيجة لذلك، يؤدي هذا إلى تثبيط الإنزيمات الرئيسية لتحلل السكر اللاهوائي، حتى تثبيط نشاطها بالكامل. ينخفض ​​معدل تحلل السكر نفسه، والعملية اللاهوائية اللبنية، وقوة العمل.

تعتمد مدة العمل في الوضع اللاهوائي على مستوى تركيز اللاكتات في الدم ودرجة مقاومة العضلات والدم للتحولات الحمضية.

قدرة تخزين الدم هي قدرة الدم على تحييد اللاكتات. كلما كان الشخص أكثر تدريباً، كلما زادت قدرته العازلة.

مصادر الطاقة للتشغيل على المدى الطويل.

مصادر الطاقة لجسم الإنسان أثناء ممارسة التمارين الرياضية لفترات طويلة والضرورية لتكوين ATP هي الجليكوجين العضلي وجلوكوز الدم والأحماض الدهنية والدهون العضلية. يتم تحفيز هذه العملية عن طريق العمل الهوائي لفترات طويلة. على سبيل المثال، يبدأ حرق الدهون (أكسدة الدهون) لدى العدائين المبتدئين بعد 40 دقيقة من الجري في منطقة النبض الثانية (PZ). بالنسبة للرياضيين، تبدأ عملية الأكسدة خلال 15-20 دقيقة من الجري. يوجد في جسم الإنسان ما يكفي من الدهون لمدة 10-12 ساعة من التمارين الهوائية المستمرة.

عند التعرض للأكسجين، يتم تكسير جزيئات الجليكوجين والجلوكوز والدهون، مما يؤدي إلى تصنيع الـATP مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون والماء. تحدث معظم التفاعلات في الميتوكوندريا في الخلية.

جلايكوجين + أكسجين ⇒ ATP + ثاني أكسيد الكربون + ماء

يحدث تكوين ATP باستخدام هذه الآلية بشكل أبطأ من استخدام مصادر الطاقة المستخدمة في العمل قصير المدى وقصير المدى. يستغرق الأمر من 2 إلى 4 دقائق قبل أن يتم تلبية حاجة الخلية إلى ATP بالكامل من خلال العملية الهوائية التي تمت مناقشتها. يحدث هذا التأخير بسبب الوقت الذي يستغرقه القلب لبدء زيادة إمدادات الدم المؤكسج إلى العضلات بالمعدل اللازم لتلبية احتياجات العضلات من ATP.

دهون + أكسجين ⇒ ATP + ثاني أكسيد الكربون + ماء

يعتبر مصنع أكسدة الدهون في الجسم هو الأكثر استهلاكا للطاقة. لأنه أثناء أكسدة الكربوهيدرات، يتم إنتاج 38 جزيء ATP من جزيء واحد من الجلوكوز. وعندما يتأكسد جزيء واحد من الدهون، فإنه ينتج 130 جزيء من ATP. لكن هذا يحدث بشكل أبطأ بكثير. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنتاج ATP من خلال أكسدة الدهون يتطلب كمية أكبر من الأكسجين مقارنة بأكسدة الكربوهيدرات. ميزة أخرى للمصنع الهوائي المؤكسد هي أنه يكتسب زخمًا تدريجيًا، مع زيادة توصيل الأكسجين وزيادة تركيز الأحماض الدهنية المنطلقة من الأنسجة الدهنية في الدم.

يمكنك العثور على المزيد من المعلومات والمقالات المفيدة.

إذا تخيلت جميع أجهزة إنتاج الطاقة (استقلاب الطاقة) في الجسم على شكل خزانات وقود، فستبدو هكذا:

1. أصغر خزان هو كرياتين فوسفات (يشبه بنزين 98). يقع بالقرب من العضلات ويبدأ العمل بسرعة. يستمر هذا "البنزين" لمدة 9 ثوانٍ. عمل.
2. الخزان الأوسط – الجليكوجين (92 بنزين). يقع هذا الخزان بعيدًا قليلاً في الجسم ويخرج منه الوقود خلال 15-30 ثانية من العمل البدني. هذا الوقود يكفي لمدة 1-1.5 ساعة من التشغيل.
3. خزان كبير - دهون (وقود ديزل). يقع هذا الخزان بعيدًا وسيستغرق الأمر من 3 إلى 6 دقائق قبل أن يبدأ الوقود بالتدفق منه. احتياطي الدهون في جسم الإنسان لمدة 10-12 ساعة من العمل الهوائي المكثف.

كل هذا لم أتوصل إليه بنفسي، لكنني أخذت مقتطفات من الكتب والأدب وموارد الإنترنت وحاولت أن أنقلها إليكم بإيجاز. إذا كان لديك أي أسئلة، والكتابة.