Биоэнергетические системы - Bioenergetic systems

О языке, используемом в системной экологии, см. Язык энергетических систем.

Биоэнергетические системы находятся метаболический процессы, которые связаны с потоком энергии в живых организмах. Эти процессы преобразуют энергию в аденозинтрифосфат (АТФ), форма, подходящая для мышечной деятельности. Есть две основные формы синтеза АТФ: аэробный, который включает кислород из кровотока, и анаэробный, чего нет. Биоэнергетика это область биологии, изучающая биоэнергетические системы.

Обзор

В клеточное дыхание процесс, который преобразует энергию пищи в АТФ (форму энергии), в значительной степени зависит от кислород доступность. В течение упражнение, предложение и спрос на кислород, доступный для мышечные клетки зависит от продолжительности и интенсивности, а также от уровня кардиореспираторной подготовки человека. В зависимости от количества доступного кислорода в процессе клеточного дыхания для выработки АТФ для мышц можно выборочно задействовать три энергетические системы упражнений. Это АТФ, анаэробная система и аэробная система.

Аденозинтрифосфат

АТФ - это используемая форма химическая энергия для мышечной активности. Он хранится в большинстве клеток, особенно в мышечных клетках. Другие формы химической энергии, например, получаемые с пищей, должны быть преобразованы в АТФ, прежде чем они могут быть использованы мышечными клетками.[1]

Сопряженные реакции

Поскольку при расщеплении АТФ выделяется энергия, требуется энергия для его восстановления или повторного синтеза. Строительные блоки синтеза АТФ - это побочные продукты его распада; аденозиндифосфат (ADP) и неорганический фосфат (Число Пи). Энергия для ресинтеза АТФ поступает из трех различных серий химических реакций, протекающих в организме. Два из трех зависят от типа съеденной пищи, а другой - от химического соединения, называемого фосфокреатин. Энергия, выделяемая в любой из этих трех серий реакций, сочетается с потребностями в энергии реакции, которая повторно синтезирует АТФ. Отдельные реакции функционально связаны друг с другом таким образом, что энергия, выделяемая одной, всегда используется другой.[1]:8–9

Три метода могут синтезировать АТФ:

  • Система АТФ – ХП (фосфогенная система) - эта система используется для продолжительности до 10 секунд. В системе ATP – CP не используются кислород не производит молочная кислота если кислород недоступен и, следовательно, считается алакто-анаэробным. Это основная система очень коротких и мощных движений, таких как удар в гольф, спринт на 100 м или пауэрлифтинг.
  • Анаэробная система - преобладает в обеспечении энергией для упражнений продолжительностью менее двух минут. Также известен как гликолитическая система. Примером активности с интенсивностью и продолжительностью, в которой работает эта система, может быть спринт на 400 м.
  • Аэробная система - это длительная энергетическая система. После пяти минут тренировки буква O2 система доминирует. При беге на 1 км эта система уже вырабатывает примерно половину энергии; в марафон запуск обеспечивает 98% и более.[2]

Аэробная и анаэробная системы обычно работают одновременно. При описании деятельности вопрос не в том, какая энергетическая система работает, а в том, какая преобладает.[3]

Аэробный и анаэробный метаболизм

Термин метаболизм относится к различным сериям химических реакций, которые происходят в организме. Аэробный относится к присутствию кислорода, тогда как анаэробный означает ряд химических реакций, для которых не требуется присутствие кислорода. Серия ATP-CP и серия молочной кислоты являются анаэробными, тогда как серия кислорода - аэробными.[1]:9

АТФ – ХП: фосфагенная система

(A) Фосфокреатин, который хранится в мышечных клетках, содержит высокоэнергетическую связь. (B) Когда креатинфосфат расщепляется во время мышечного сокращения, выделяется большое количество энергии. Выделяемая энергия сочетается с энергией, необходимой для повторного синтеза АТФ.

Креатинфосфат (CP), как и АТФ, хранится в мышечных клетках. Когда он разрушается, выделяется большое количество энергии. Выделяемая энергия связана с потребностью в энергии, необходимой для ресинтеза АТФ.

Общие запасы АТФ и ЦП в мышцах невелики. Таким образом, количество энергии, получаемой через эту систему, ограничено. Фосфоген, хранящийся в работающих мышцах, обычно истощается за секунды активной деятельности. Однако, полезность системы ATP-CP заключается в быстром доступе энергии, а не в количестве. Это важно в отношении видов физической активности, которые способны выполнять люди.[1]:9–11

Анаэробная система

Эта система известна как анаэробная. гликолиз. «Гликолиз» относится к расщеплению сахара. В этой системе расщепление сахара обеспечивает необходимую энергию, из которой производится АТФ. Когда сахар метаболизируется анаэробно, он расщепляется лишь частично, и одним из побочных продуктов является молочная кислота. Этот процесс создает достаточно энергии, чтобы удовлетворить потребности в энергии для повторного синтеза АТФ.

Когда ионы H + накапливаются в мышцах, вызывая кровь pH уровень для достижения очень низкого уровня, временный мышечная усталость Результаты. Еще одно ограничение системы молочной кислоты, связанное с ее анаэробным качеством, заключается в том, что только несколько молей АТФ могут быть повторно синтезированы при расщеплении сахара по сравнению с выходом, возможным при наличии кислорода. На эту систему нельзя полагаться в течение длительного периода времени.

Система молочной кислоты, как и система АТФ-ХП, важна прежде всего потому, что она обеспечивает быстрое поступление энергии АТФ. Например, упражнения, которые выполняются с максимальной скоростью в течение от 1 до 3 минут, сильно зависят от системы молочной кислоты для получения энергии АТФ. В таких действиях, как бег на 1500 метров или милю, система молочной кислоты используется преимущественно для «толчка» в конце забега.[1]:11–12

Аэробная система

  • Гликолиз - первая стадия, известная как гликолиз, производит 2 молекулы АТФ, 2 восстановленные молекулы никотинамид аденин динуклеотид (НАДН ) и 2 молекулы пирувата, которые переходят на следующую стадию - Цикл Кребса. Гликолиз происходит в цитоплазма нормальных клеток тела или саркоплазма мышечных клеток.
  • Цикл Кребса - это второй этап, и продукты этого этапа аэробной системы представляют собой чистое производство одного АТФ, одного углекислый газ молекула, три восстановленные молекулы НАД, одна восстановленная никотинамид аденин динуклеотид Молекула FAD (упомянутые здесь молекулы NAD и FAD являются переносчиками электронов, и если говорят, что они восстановлены, это означает, что к ним был добавлен один ион H +). В метаболиты для каждого витка цикла Кребса. Цикл Кребса поворачивается дважды для каждой молекулы глюкозы, проходящей через аэробную систему - как две пируват молекулы входят в цикл Кребса. Чтобы молекулы пирувата вошли в цикл Кребса, они должны быть преобразованы в ацетилкофермент А. Во время этой реакции связи для каждой молекулы пирувата, которая превращается в ацетилкофермент А, также снижается НАД. Эта стадия аэробной системы происходит в матрице клеток. митохондрии.
  • Окислительное фосфорилирование - последняя стадия аэробной системы дает самый большой выход АТФ из всех стадий - всего 34 молекулы АТФ. Это называется окислительным фосфорилирование потому что кислород является последним акцептором электроны и ионы водорода которые покидают эту стадию аэробного дыхания (следовательно, окислительного), и АДФ фосфорилируется (добавляется дополнительный фосфат) с образованием АТФ (отсюда и фосфорилирование).

Этот этап аэробной системы происходит на кристы (складки на мембране митохондрий). НАДН + из гликолиза и цикла Кребса и FADH + из цикла Кребса производят переносчики электронов на понижающихся энергетических уровнях, в которых энергия высвобождается для преобразования АТФ. Каждый NADH +, который перемещается по этой цепи переноса электронов, обеспечивает достаточно энергии для 3 молекул АТФ, а каждая молекула FADH + обеспечивает энергию, достаточную для 2 молекул АТФ. Это означает, что 10 общих молекул NADH + позволяют омолаживать 30 АТФ, а 2 молекулы FADH + позволяют омолаживать 4 молекулы АТФ (всего 34 от окислительного фосфорилирования плюс 4 с предыдущих 2 стадий, что означает, что всего 38 АТФ приходится на производится во время аэробной системы). НАДН + и ФАД + окисляются, чтобы позволить НАД и ФАД вернуться и снова использоваться в аэробной системе, а электроны и ионы водорода принимаются кислородом для производства воды, безвредного побочного продукта.

использованная литература

  1. ^ а б c d е Эдвард Л. Фокс (1979). Спортивная физиология. Издательство колледжа Сондерс. ISBN  978-0-7216-3829-4.
  2. ^ "Программа развития силы и кондиционирования Университета Джеймса Мэдисона". Архивировано из оригинал на 2008-04-20.
  3. ^ Графики пропорции энергии

дальнейшее чтение

  • Физиология упражнений для здоровья, фитнеса и производительности. Шэрон Пахарь и Дениз Смит. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс; Третье издание (2010 г.). ISBN  978-0-7817-7976-0.