Упрощенное описание катаболизма углеводов, жирных кислот и аминокислот в синтезе АТФ.
Биоэнергетические системы - это метаболические процессы, которые связаны с потоком энергии в живых организмах. Эти процессы превращают энергию в аденозин трифосфат (АТФ), которая является формой, подходящей для мышечной активности. Существует две основные формы синтеза АТФ: аэробного , который использует кислород из кровотока, и анаэробный , который нет. Биоэнергетика - это область биологии, которая изучает биоэнергетические системы.
Процесс, который превращает химическую энергию питания в АТФ (которая может высвобождать энергию), не зависит от доступности кислорода. Во время упражнений на поставка и спрос на кислород, доступные для мышечных клеток, влияют продолжительность и интенсивность, а также уровень кардио -дыхательной подготовки индивидуума. [ 1 ] Например, на него также влияет тип активности, во время изометрической активности сокращенные мышцы ограничивают кровоток (оставляя кислород и топливо для крови, неспособные доставить в мышечные клетки адекватно для окислительного фосфорилирования). [ 2 ] [ 3 ] Три системы могут быть избирательно набраны, в зависимости от количества доступного кислорода, как часть процесса клеточного дыхания для создания АТФ для мышц. Это АТФ, анаэробная система и аэробная система.
АТФ является единственным типом полезной формы химической энергии для опорно -двигательной активности. Он хранится в большинстве клеток, особенно в мышечных клетках. Другие формы химической энергии, такие как те, которые доступны из кислорода и пищи, должны быть преобразованы в АТФ, прежде чем они могут быть использованы мышечными клетками. [ 4 ]
Поскольку энергия выпускается при разрушении АТФ, для восстановления или повторного его восстановления энергии требуется. Строительные блоки синтеза АТФ являются побочными продуктами его разрыва; Аденозинфосфат (ADP) и неорганический фосфат (P i ). Энергия для ресинтеза АТФ поступает из трех различных серий химических реакций, которые происходят в организме. Два из трех зависят от еды пищи, тогда как другое зависит от химического соединения, называемого фосфокреатином . Энергия, высвобождаемая из любой из этих трех серий реакций, используется в реакциях, которые восстанавливают АТФ. Отдельные реакции функционально связаны таким образом, что энергия, выделяемая одному, используется другой. [ 4 ] : 8–9
Три процесса могут синтезировать АТФ:
Система АТФ -КП ( система фосфагена ) - при максимальной интенсивности эта система используется до 10–15 секунд. [ 5 ] Система ATP -CP не использует кислород и не продуцирует молочную кислоту , если кислород недоступен и, таким образом, называется алактическим анаэробным. Это основная система, стоящая за очень короткими, мощными движениями, такими как качели в гольф, спринт 100 м или пауэрлифтинг.
Анаэробная система - эта система преобладает в обеспечении энергии для интенсивных упражнений, которые длится менее двух минут. Он также известен как гликолитическая система . Примером активности интенсивности и продолжительности, в которой работает эта система, будет спринт 400 м.
Аэробическая система-это долгосрочная энергетическая система. После пяти минут упражнения система O 2 является доминирующей. В течение 1 км эта система уже обеспечивает примерно половину энергии; В марафоне он обеспечивает 98% или более. [ 6 ] Около 20 миль марафона бегуны, как правило, «ударили по стене», истощив свои резервы гликогена, они затем достигают «второго ветра», который является полностью аэробным метаболизмом, прежде всего, свободными жирными кислотами. [ 7 ]
Относительный вклад производства АТФ биоэнергетических систем во время аэробных упражнений с максимальной интенсивностью (например, спринтинг)
Аэробные и анаэробные системы обычно работают одновременно. При описании деятельности не является вопрос, какой работает энергетическая система, а какая преобладает. [ 1 ] [ 8 ]
Интенсивность физических упражнений (%w max ) и использование субстрата в мышцах во время аэробной активности (езда на велосипеде) [ 1 ]
Термин метаболизм относится к различной серии химических реакций, которые происходят в организме. Аэробик относится к присутствию кислорода, тогда как анаэробные средства с серией химических реакций, которые не требуют наличия кислорода. Серия ATP-CP и серии молочной кислоты являются анаэробными, тогда как серия кислорода является аэробным. [ 4 ] : 9
(A) Фосфокреарин, который хранится в мышечных клетках, содержит высокую энергетическую связь. (Б) Когда креатин фосфат расщепляется во время мышечного сокращения, энергия высвобождается и используется для повторного обеспечения АТФ.
Креатин фосфат (CP), как АТФ, хранится в мышечных клетках. Когда он сломается, выпускается значительное количество энергии. Выпущенная энергия связана с требованиями к энергии, необходимым для ресинтеза АТФ.
Общие мышечные запасы как АТФ, так и CP маленькие. Таким образом, количество энергии, получаемой через эту систему, ограничено. Фосфаген, хранящийся в рабочих мышцах, обычно истощается в секундах энергичной активности. Тем не менее, полезность системы АТФ-CP заключается в быстрой доступности энергии, а не количества . Это важно в отношении видов физических упражнений, которые люди способны выполнять. [ 4 ] : 9–11
ЧАС + + ADP + CP → ATP + креатин (мг 2+ Помощь, катализируется креатинкиназой , АТФ снова используется в вышеуказанной реакции для продолжения сокращения мышц)
2 ADP → ATP + AMP (катализируется аденилаткиназой /миокиназой при истощении CP, ATP снова используется для сокращения мышц)
Система фосфагена (АТФ-ПЦР) и пуриновый нуклеотидный цикл (PNC)
Мышцы в состоянии покоя:
ATP + креатин → H + + ADP + CP (мг 2+ помогал, катализируется креатинкиназой )
Когда система фосфагена была истощена от фосфокреатина (креатинфосфат), получающий АМП, продуцируемый из реакции аденилаткиназы (миокиназы), в первую очередь регулируется пуриновым нуклеотидным циклом . [ 10 ]
Превращение пирувата в лактат производит NAD+ для поддержания гликолиза
Эта система известна как анаэробный гликолиз . « Гликолиз » относится к разбивке сахара. В этой системе разбивка сахара обеспечивает необходимую энергию, из которой производится АТФ. Когда сахар метаболизируется анаэробно, он только частично разбивается, а одним из побочных продуктов является молочная кислота . Этот процесс создает достаточно энергии, чтобы связать с требованиями к энергетике, чтобы пересмотреть АТФ.
Как распространенные моносахариды (простые сахара), такие как глюкоза, фруктоза, галактоза и манноза, попадают в гликолитический путь
Когда h + Ионы накапливаются в мышцах, вызывая уровень рН в крови , достигая низких уровней, приводит к временной мышечной усталости . Еще одним ограничением системы молочной кислоты, которая относится к ее анаэробному качеству, является то, что только несколько молей АТФ может быть восстановлено от разбивки сахара. На эту систему нельзя полагаться в течение длительных периодов времени.
Система молочной кислоты, подобная системе АТФ-CP, важна в первую очередь потому, что она обеспечивает быстрое снабжение энергии АТФ. Например, упражнения, которые выполняются с максимальными скоростями в течение 1-3 минут, в значительной степени зависят от системы молочной кислоты. [ 1 ] В таких видах деятельности, как выполнение 1500 метров или милю, система молочной кислоты используется преимущественно для «удара» в конце гонки. [ 4 ] : 11–12
Аэробный гликолиз Гликолиз - первая стадия известна как гликолиз, который продуцирует 2 молекулы АТФ, 2 молекулы никотинамида аденин -динуклеотида ( NADH ) и 2 молекулы пирувата, которые переходят к следующей стадии - цикл Кребса . Гликолиз происходит в цитоплазме нормальных клеток тела или саркоплазму мышечных клеток.
Цикл Кребса - это второй этап, а продукты этой стадии аэробной системы представляют собой чистое производство одного АТФ, одной молекулы углекислого газа , трех сниженных NAD + молекулы, и одна уменьшенная молекула флавина аденин -динуклеотид (FAD). (Молекулы НАД + и FAD, упомянутые здесь + ионы и два электрона добавлены к ним.) Метаболиты представляются для каждого поворота цикла Krebs. Цикл Кребса дважды поворачивается для каждой шестиуглеродной молекулы глюкозы, которая проходит через аэробную систему-когда две трехуглеродные молекулы пирувата попадают в цикл Кребса. Прежде чем пируват входит в цикл Кребса, он должен быть преобразован в ацетил -коэнзимент а . Во время этой реакции канала для каждой молекулы пирувата, преобразованной в ацетил -кофермент А, НАД + также уменьшается. клеток Эта стадия аэробной системы происходит в матрице митохондрий .
Окислительное фосфорилирование - последняя стадия аэробной системы дает наибольший выход АТФ - в общей сложности 34 молекул АТФ. Он называется окислительным фосфорилированием , потому что кислород является конечным акцептором электронов и ионов водорода (следовательно, окислителя), а дополнительный фосфат добавляется в ADP с образованием АТФ (отсюда фосфорилирование ).
Эта стадия аэробной системы происходит на Кристах (разбросы мембраны митохондрий). Реакция каждого NADH в этой цепи транспорта электронов обеспечивает достаточное количество энергии для 3 молекул АТФ, в то время как реакция FADH 2 дает 2 молекулы АТФ. Это означает, что 10 общих молекул NADH позволяют регенерации 30 АТФ, а 2 молекулы FADH 2 позволяют регенерировать 4 молекул АТФ (в общей сложности 34 АТФ из окислительного фосфорилирования, плюс 4 из предыдущих двух этапов, что вызывает общее количество АТФ. в аэробной системе). NADH и FADH 2 окисляются, чтобы разрешить NAD + и увлечение, которое будет повторно использовано в аэробной системе, в то время как электроны и ионы водорода принимаются кислородом для получения воды, безвредного побочного продукта.
Триглицериды, хранящиеся в жировой ткани и в других тканях, таких как мышцы и печень, высвобождают жирные кислоты и глицерин в процессе, известном как липолиз . Жирные кислоты медленнее, чем глюкоза, чтобы преобразовать в ацетил-КоА, так как сначала она должна пройти через бета-окисление. Для достаточного производства жирных кислот требуется около 10 минут. [ 5 ] Жирные кислоты являются основным источником топлива в состоянии покоя и в физических упражнениях с низкой или умеренной интенсивностью. [ 1 ] Несмотря на то, что он медленнее, чем глюкоза, его урожай намного выше. Одна молекула глюкозы производит с помощью аэробного гликолиза сеть 30-32 АТФ; [ 11 ] Принимая во внимание, что жирная кислота может вырабатывать бета -окисление, сеть приблизительно 100 АТФ в зависимости от типа жирной кислоты. Например, пальмитиновая кислота может производить сеть 106 АТФ. [ 12 ]
Обычно аминокислоты не обеспечивают большую часть топливных подложков. Однако во времена гликолитического или АТФ-кризиса аминокислоты могут превратиться в промежуточные продукты пирувата, ацетил-КоА и цикла лимонной кислоты. [ 13 ] Это полезно во время напряженных физических упражнений или голода, поскольку он обеспечивает более быстрое АТФ, чем жирные кислоты; Тем не менее, это происходит за счет рискованного белкового катаболизма (например, расщепление мышечной ткани) для поддержания пула свободного аминокислот. [ 13 ]
Пуриновый нуклеотидный цикл используется во времена гликолитического кризиса или АТФ, таких как напряженные упражнения или голода. [ 14 ] [ 13 ] Он производит фумарат , промежуточный цикл цикла лимонной кислоты, который попадает в митохондрион через шаттл малат апартата, а оттуда производит АТФ путем окислительного фосфорилирования.
Во время голода или при употреблении низкоуглеводной / кетогенной диеты , печень производит кетоны. Кетоны необходимы, поскольку жирные кислоты не могут пройти гематоэнцефалический барьер, уровни глюкозы в крови низкие, а гликогенные резервы истощены. Кетоны также превращаются в ацетил-КоА быстрее, чем жирные кислоты. [ 15 ] [ 16 ] После того, как кетоны преобразуются в ацетил-КоА в процессе, известном как кетолиз , он попадает в цикл лимонной кислоты для получения АТФ путем окислительного фосфорилирования.
Чем дольше были истощены запасы гликогена человека, тем выше концентрация кетонов в крови, обычно из -за голода или диеты с низким содержанием углеводов (βHB 3 - 5 мм). Длительные высокоинтенсивные аэробные упражнения, такие как пробежка 20 миль, где люди « попадают в стену », могут создать кетоз после тренировки; Однако уровень полученных кетонов меньше (βHB 0,3 - 2 мм). [ 17 ] [ 18 ]
Этанол (алкоголь) сначала превращается в ацетальдегид, потребляя NAD + дважды, прежде чем преобразовать в ацетат. Затем ацетат превращается в ацетил-КоА. Когда алкоголь употребляется в небольших количествах, NADH/NAD + Соотношение остается в балансе, чтобы ацетил-КоА использовался в цикле Krebs для окислительного фосфорилирования. Однако даже умеренное количество алкоголя (1-2 напитка) приводит к большему количеству NADH, чем NAD + , который ингибирует окислительное фосфорилирование. [ 19 ]
Когда NADH/NAD + Соотношение нарушено (гораздо больше NADH, чем NAD + ), это называется псевдогипоксией . Циклу Кребса нужен NAD + а также кислород, для окислительного фосфорилирования. Без достаточного NAD + нарушение аэробного метаболизма имитирует гипоксию (недостаточную кислород), что приводит к чрезмерному использованию анаэробного гликолиза и нарушенного соотношения пирувата/лактата (низкий пируват, высокий лактат ). Превращение пирувата в лактат производит NAD + , но только достаточно, чтобы поддерживать анаэробный гликолиз. В хроническом чрезмерном потреблении алкоголя (алкоголизм) в дополнение к алкогольной дегидрогеназе используется микросомальная окислительная система этанола (MEO). [ 19 ]
^ Страйер Л. (1995). Биохимия (4. изд., Девятая печатная редакция). Нью -Йорк: Фримен. ISBN 978-0-7167-2009-6 .
^ Jain P, Singh S, Arya A (май 2021). «Студенческий метод для расчета энергии жирной кислоты: интегрированная формула и веб -инструмент». Биохимия и молекулярное биологическое образование . 49 (3): 492–499. doi : 10.1002/bmb.21486 . PMID 33427394 . S2CID 231577993 .
^ Валберг, Стефани Дж. (2008-01-01), Канеко, Дж. Джерри; Харви, Джон У.; Bruss, Michael L. (Eds.), «Глава 15 - Функция скелетных мышц» , Клиническая биохимия домашних животных (шестое издание) , Сан -Диего: Академическая пресса, с. 459–484, ISBN 978-0-12-370491-7 Получено 2023-10-10
^ Løkken N, Hansen KK, Storgaard JH, Erngreen MC, Quinlivan R, Vissing J (июль 2020 г.). «Титрование модифицированной кетогенной диеты для пациентов с болезнью Макарда: пилотное исследование». Журнал наследственного метаболического заболевания . 43 (4): 778–786. doi : 10.1002/jimd.12223 . PMID 32060930 . S2CID 211121921 .
Физиология упражнений для здоровья, фитнеса и производительности . Шарон Плоуман и Дениз Смит. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс; Третье издание (2010). ISBN 978-0-7817-7976-0 .
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 30de98b9e89f8e5ad03904e90c3be6be__1705956000 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/30/be/30de98b9e89f8e5ad03904e90c3be6be.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Bioenergetic systems - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)