Энергия и атф

3.11 Макроэрги (фосфагены)

Универсальным источником энергии в клетке (в том числе и мышечной) является свободная энергия макроэргической фосфатной связи аденозинтрифосфата (АТФ), освобождаемая при гидролизе (распаде) АТФ до аденозинди‑ и аденозинмонофосфата (АДФ и АМФ) и неорганического фосфата.

Однако содержащегося в мышцах АТФ достаточно для обеспечения работы в течение не более чем 0,5 с, поэтому при мышечной работе используется энергия АТФ, синтезируемая непосредственно во время работы с использованием энергии других содержащихся в клетке высокоэнергетических фосфатов (фосфагенов).

Фосфокреатин (ФК) как источник энергии для мышечного сокращения играет ведущую роль при работе в анаэробной алактатной зоне мощности, когда запасы его в мышечных клетках лимитируют продолжительность и интенсивность работы (см. главу «Зоны энергообеспечения»).

В качестве фармакологических средств коррекции работоспособности спортсменов из группы фосфагенов представляют интерес имеющиеся в настоящее время в аптечной сети препараты неотон, фосфаден ц адениловая кислота. Возможно применение креатинфосфата, существующего в виде биологической добавки.

АТФ (синонимы: атрифос (Венгрия), миотрифос (Польша), фосфобион (Румыния)) представляет собой препарат получаемый из мышечной ткани животных. Для медицинско то применения выпускается раствор натрия аденозинтрифосфата 1 % для инъекций. В настоящее время признан малоэффективным препаратом в спорте высших достижений и здесь не рассматривается.

Неотон   – препарат фосфокреатина (Италия) Неотон выпускается во флаконах с содержанием 200, 500 и 1000 мг фосфокреатина (ФК), вводится внутривенно. После однократной внутривенной инфузии происходит быстрое дозо‑зависимое увеличение его содержания в крови до максимального уровня в течение 1–5 мин. Процесс выведения из организма ФК разделяется на две фазы. Первая, быстрая фаза, характеризуется временем полувыведения ФК, составляющим 30–35 мин. Продолжительность второй, медленной фазы выведения, составляет несколько часов. Содержание ФК в моче начинает увеличиваться через 30 мин и достигает максимума через 60 мин после введения.

Значительная часть введенного извне фосфокреатина захватывается разными органами. Анализ распределения экзогенного ФК в крови и других тканях показал, что данное соединение специфически накапливается в скелетных мышцах, миокарде и мозге – тканях, в которых внутриклеточный ФК играет функционально важную роль. Выведение из тканей ФК происходит медленно, чем и определяется продолжительность второй фазы выведения из организма. См. также главу «Зоны энергообеспечения».

Кислота адениловая   (синоним МАЛ – мышечно‑адениловый препарат) – препарат, получаемый из пивных дрожжей и содержащий смесь аденозйнмонофосфорной, фрукто‑зодифосфорной и других биологически активных кислот. Выпускают во флаконах по 100 мл, принимают внутрь по 1 столовой ложке 2–3 раза в день.

Фосфаден   (синонимы: АМФ, аденил, аденозинмоно‑фосфат) – регулирует окислительно‑восстановительные процессы. Обладает сосудорасширяющим действием, участвует в биосинтезе порфиринов. Выпускается в виде таблеток по 0,025 и 0,05 г и 2 % раствора для инъекций. Суточная доза I составляет до 0,15 г внутрь и до 0,12 г внутримышечно, I продолжительность приема 2–4 недели.

Все указанные препараты, способствующие увеличению количества энергонасыщенных соединений в организме, наиболее эффективны при работе в анаэробной алактатной зоне мощности, и их применение с целью коррекции физической работоспособности показано во время соревнований и на тех этапах учебно‑тренировочного процесса, где ставится целью развитие скоростной выносливости и присутствует значительная доля работы в анаэробном режиме.

Но без этих препаратов трудно работать и в аэробной зоне.

Макроэргические соединения. АТФ: структура, функции.

декабря 13, 2010

Биохимия, Общая биология, Физиология растенй

Макроэргические соединения и их роль в метаболизме клетки

При спортивной тренировке содержание макроэргических соединений в мышцах и скорость их образования возрастают.

Есть и другие формы запасания энергии. Во-первых, это разность электрических потенциалов на биологических мембранах, которая может быть использована для синтеза макроэргических соединений и на поддержание которой клетке приходится расходовать энергию. Во-вторых, поскольку любой организм способен окислять углеводы и жиры с образованием макроэргических соединений, то можно считать, что жировые капли, зерна крахмала, частицы гликогена — это не только запасы пластического («строительного») материала, но и запасы энергии, только в более инертной и менее доступной для быстрого использования форме, чем макроэргические соединения. Энергетический обмен в организме изучает раздел биохимии — биоэнергетика.

И немного про энергетические станции

Как уже говорилось, синтез АТФ происходит в специализированных органеллах клетки – митохондриях. И сегодня в среде биологов ведутся споры по поводу происхождения этих удивительных структур. Митохондрии – это электростанции клетки, «топливом» для которых являются белки, жиры, гликоген, а электричеством – молекулы АТФ, синтез которых проходит при участии кислорода. Можно сказать, что мы дышим, чтобы митохондрии работали. Чем большую работу должны выполнять клетки, тем больше им необходимо энергии. Читай – АТФ, а значит – митохондрий.

Например, у профессионального спортсмена в скелетных мышцах содержится порядка 12% митохондрий, а у неспортивного обывателя их вполовину меньше. А вот в сердечной мышце их показатель – 25%. Современные методики тренировок спортсменов, особенно марафонцев, основан на показателях МКП (максимального потребления кислорода), который напрямую зависит от количества митохондрий и способности мышц выполнять длительные нагрузки. Ведущие тренировочные программы для профессионального спорта направлены на стимуляцию синтеза митохондрий в клетках мышц.

Поток энергии и вещества в клетке

Таким образом, АТФ в клетке занимает центральное и главное место в обмене материи. Реакций, посредством которых возникает и распадается АТФ, довольно много (фосфорилирование окислительное и субстратное, гидролиз). Биохимические реакции синтеза этих молекул обратимы, при определенных условиях они в клетках смещаются в сторону синтеза или распада. Пути этих реакций отличаются по количеству превращений веществ, типу окислительных процессов, по способам сопряжения энергоподающих и энергопотребляющих реакций. Каждый процесс имеет четкие приспособления к обработке конкретного вида «топлива» и свои пределы эффективности.

Макроэргическая связь

Это превращение может происходить различными путями; один из них сопровождается образованием макроэргической связи АТФ путем этерификации неорганич.
 

В следующей реакции происходит фосфоролиз ацилмеркап-тана — перенос остатка фосфоглицеринового альдегида вместе с макроэргической связью на минеральную фосфорную кислоту.
 

Ацил — КоА, как и АТФ, относится к числу соединений с макроэргической связью между ацильной группой и остальной частью молекулы. Образование его сопровождается расщеплением пирофосфатной связи АТФ. Ацил — КоА осуществляет перенос энергии. АТФ и ацил — КоА почти равноценны, по запасу энергии.
 

Всякое увеличение резонанса в резонансной системе сопровождается выделением энергии, которая была затрачена при образовании макроэргической связи при синтезе молекулы АТФ. Условно считают, что эта энергия локализована в кислородном мостике.
 

Обратимая реакция енолизации, в процессе которой отщепление молекулы воды от 2-фосфоглицерата приводит к образованию макроэргической связи в фосфоеноилпирувате.
 

Процесс фосфорилирования глюкозы и фруктозо-6 — фосфа-та сопровождается поглощением химической энергии, освобождаемой при разрыве макроэргической связи в молекуле АТФ.
 

При окислении глицеринальдегидфосфата освобождается энергия, которая не выделяется в свободном состоянии, а аккумулируется в макроэргической связи, возникающей между ферментом и фосфоглицериновой кислотой.
 

АТФ не только содержит значительное количество Н3РО4, но имеет также большой запас тепловой энергии в виде макроэргических связей, при разрыве которых освобождается примерно в 5 раз больше энергии, чем при разрыве простой связи. Эта энергия используется в различных обменных процессах, связанных с дыханием и брожением.
 

В результате отдачи воды, вызываемой перераспределением внутримолекулярной энергии, 2-фосфоглицериновая кислота превращается в фосфоэнолпировй-ноградную кислоту, содержащую макроэргическую связь.
 

Перенос фосфатных остатков ферментами — фосфоферазами, по отношению к которым АТФ является коферментом, может происходить почти без рассеивания энергии макроэргических связей, реакции в этом случае обратимы. Так, например, совершается переход группы Ь РОз от АТФ к креатину.
 

Ее взаимодействие с АДФ, катализируемое соответствующей фос-фоферазой ( фосфорилглицеринкиназой), приводит к появлению АТФ и 3-фосфоглицериновой кислоты, не содержащей макроэргической связи. В результате действия фосфоглицеромутазы остаток фосфорной кислоты переходит от крайнего атома углерода к среднему, после чего образовавшийся продукт под действием энолазы дает фосфоэнолпировино-градную кислоту.
 

Аденозинтрифосфат состоит из трех фосфатных групп, но только две из них отщепляются чрезвычайно легко; следовательно, именно они обладают макроэргическими связями. В АДФ присутствует лишь одна такая связь. Макроэргические связи принято обозначать изогнутой чертой, как это показано в приведенных ниже формулах АТФ и АДФ.
 

Термодинамически важным является карбоксилирование ацетил — КоА и превращение его в малонил — КоА ( СООН-СН2-СООН), на образование которого затрачивается одна макроэргическая связь молекулы АТФ.
 

В окислительном фосфорилировании динитрофенолы ( они угнетают это фосфорилирование) разобщают цепь реакций и предотвращают образование фосфатов, богатых энергией ( фосфатов с макроэргическими связями АДФ и АТФ), в результате чего тормозятся процессы, требующие энергии. Угнетение фосфорилирования происходит при низких концентрациях яда.
 

Функции высокоэнергетичных биомолекул

Кроме функции донора и акцептора энергии при процессах распада и синтеза высокомолекулярных соединений, молекулы АТФ играют еще несколько очень важных ролей в клетках. Энергия разрыва макроэргических связей используется в процессах теплообразования, механической работы, накопления электричества, свечения. При этом преобразование энергии химических связей в тепловую, электрическую, механическую одновременно служит и этапом энергетического обмена с последующим запасанием в тех же макроэнергетических связях АТФ. Все эти процессы в клетке называются пластическим и энергетическим обменами (схема на рисунке). Молекулы АТФ выступают еще и в роли коферментов, регулируя активность некоторых ферментов. Кроме того, АТФ может быть и медиатором, сигнальным агентом в синапсах нервных клеток.

МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Любой организм постоянно совершает работу: синтез молекул, входящих в состав его клеток, поглощение извне необходимых ему веществ и выброс различных шлаков; многие организмы способны также к перемещению в пространстве, активному восприятию внешнего мира и воздействию на него. Для совершения любой работы требуется энергия. Способ получения энергии связан с типом питания, по которому группы организмов делят на ав-тотрофов и гетеротрофов. При всех типах энергетического обмена энергия запасается в живой клетке в виде макроэргических соединений. Это органические соединения, содержащие богатые энергией (макроэргические) химические связи. К ним относятся, например, вещества, при гидролизе которых высвобождается энергии в 2—4 раза больше, чем при гидролизе других веществ.

К макроэргическим соединениям относятся аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), а также пирофосфат , полифосфаты (полимеры метафосфорной кислоты — ) и ряд других соединений

Самое важное макроэргическое соединение — АТФ. Используя энергию, заключенную в макроэргических связях АТФ, при действии ферментов, переносящих фосфатные группы, можно получить другие макроэргические соединения, например, ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ФЕП ( кислота) и др

Образуется АТФ в процессах биологического окисления и при фотосинтезе. Энергия макроэргических связей используется для совершения любой работы: активации соединений (например, глюкозы, чтобы могла начаться цепь ее окислительных превращений), синтеза биополимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), избирательного поглощения веществ из окружающей клетку среды и выброса из клетки ненужных продуктов, мышечного сокращения и. восстановления активного состояния организма и т. д. Запас этих соединений позволяет организму быстро реагировать на изменение внешних условий и совершать физическую работу. При спортивной тренировке содержание макроэргических соединений в мышцах и скорость их образования возрастают.

Есть и другие формы запасания энергии. Во-первых, это разность электрических потенциалов на биологических мембранах, которая может быть использована для синтеза макроэргических соединений и на поддержание которой клетке приходится расходовать энергию. Во-вторых, поскольку любой организм способен окислять углеводы и жиры с образованием макроэргических соединений, то можно считать, что жировые капли, зерна крахмала, частицы гликогена — это не только запасы пластического («строительного») материала, но и запасы энергии, только в более инертной и менее доступной для быстрого использования форме, чем макроэргические соединения.

Энергетический обмен в организме изучает раздел биохимии — биоэнергетика.

Общая биология: Атф и витамины

АТФ и другие соединения клетки (витамины)

Особо важную роль в биоэнергетике клетки играет адениловый нуклеотид, к которому присоединены два остатка фосфорной кислоты. Такое вещество называют аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ).

В химических связях между остатками фосфорной кислоты молекулы АТФ запасена энергия, которая освобождается при отщеплении органического фосфата: АТФ = АДФ + Ф + Е, где Ф — фермент, Е — освобождающаяся энергия. В этой реакции образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) — остаток молекулы АТФ и органический фосфат.

Энергию АТФ все клетки используют для процессов биосинтеза, движения, производства тепла, нервных импульсов, свечений (например, у люминесцентных бактерий), т.е. для всех процессов жизнедеятельности.

АТФ — универсальный биологический аккумулятор энергии, который синтезируется в митохондриях (внутриклеточных органоидах).

Световая энергия Солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ. Запас АТФ в клетке невелик. Так, в мышце запаса АТФ хватает на 20—30 сокращений. При усиленной, но кратковременной работе мышцы работают исключительно за счет расщепления содержащейся в них АТФ.

После окончания работы человек усиленно дышит — в этот период происходит расщепление углеводов и других веществ (происходит накопление энергии) и запас АТФ в клетках восстанавливается протонов. Протоны проходят через этот канал под действием движущей силы электрохимического градиента.

Энергия этого процесса используется ферментом, содержащимся в тех же самых белковых комплексах и способным присоединить фосфатную группу к аденозиндифосфату (АДФ), что и приводит к синтезу АТФ.

Витамины: Vita – жизнь.

Витамины – биологически активные вещества, синтезирующиеся в организме или поступающие с пищей, которые в малых количествах необходимы для нормального обмена веществ и жизнедеятельности организма.

В 1911г. Польский химик К. Функ выделил из рисовых отрубей вещество, излечивающее параличи голубей, питавшихся только полированным рисом. Химический анализ этого вещества показал, что в его состав входит азот.

Открытое им вещество Функ назвал витамином (от слов «вита»- жизнь и «амин»- содержащий азот.

Биологическая роль витаминов заключается в их регулярном действии на обмен веществ. Витамины обладают каталитическими свойствами, то есть способностью стимулировать химические реакции, протекающие в организме, а также активно участвуют в образовании и функции ферментов.

Витамины влияют на усвоение организмом питательных веществ, способствуют нормальному росту клеток и развитию всего организма. Являясь составной частью ферментов, витамины определяют их нормальную функцию и активность.

Таким образом, недостаток в организме какого-либо витамина ведет к нарушению процессов обмена веществ.

Группы витаминов:

СУТОЧНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ВИТАМИНАХ

С – аскорбиновая кислота: 70 – 100 мг.

В – тиамин: 1,5 – 2,6 мг.

В – рибофлавин: 1,8 – 3 мг.

А – ретинол: 1,5 мг.

D – кальциферол: для детей и взрослых 100 МЕ,

до 3 лет 400 МЕ.

Е – токоферол: 15 – 20 мг.

Макроэргические соединения и связи

Главными материальными носителями свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами, поэтому при преобразовании химических связей в молекуле уровень свободной энергии соединения изменяется.

Если изменение уровня свободной энергии соединения при возникновении или распаде химической связи составляет около 12,5 кДж/моль преобразуемого вещества, то такая связь по своему энергетическому уровню считается нормальной.

Именно такую размерность имеет изменение уровня свободной энергии при преобразовании большинства связей в органических соединениях. Однако при новообразовании и распаде некоторых связей уровень свободной энергии в молекулах ряда органических соединений изменяется в гораздо большей степени и составляет 25—50 кДж/моль и более. Такие соединения называются макроэргическими соединениями, а связи, при преобразовании которых наступают столь крупные изменения в энергетическом балансе вещества, ‒ макроэргическими связями.

Последние в отличие от обычных связей обозначают значком “~”.

Макроэргические связи представлены преимущественно сложноэфирными, в том числе и тиоэфирными, ангидридными и фосфоамидными связями. Однако наиболее интересно, что почти все известные соединения с макроэргическими связями содержат атомы Р и S, по месту которых в молекуле эти связи локализованы.

Именно та энергия, которая высвобождается при разрыве макроэргических связей, поглощается при синтезе органических соединений с более высоким уровнем свободной энергии, чем исходные.

В то же время запасы макроэргических веществ в организме постоянно пополняются путем аккумулирования энергии, выделяющейся при понижении энергетического уровня распадающихся соединений.

Таким образом, макроэргические вещества выполняют функцию и доноров, и акцепторов энергии в обмене веществ; они служат как аккумуляторами, так и проводниками энергии в биохимических процессах.

Кроме того, им свойственна роль трансформаторов энергии, так как они способны преобразовывать стационарную форму энергии химической связи в мобильную, т.е. в энергию возбужденного состояния молекулы. Последний вид энергии и служит непосредственным источником реакционной способности молекул; преобразуясь снова в стационарную форму энергии химической связи, он энергетически обеспечивает видоизменение веществ, их преобразование, т.е. их обмен в организме.

К макроэргическим соединениям относятся, главным образом, аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и вещества, способные образовывать АТФ в ферментативных реакциях переноса преимущественно фосфатных групп, а также нуклеозидтри- (или ди) -фосфорные кислоты, пирофосфорная и полифосфорная кислоты, креатинфосфорная, фосфопировиноградная, дифосфоглицериновая кислоты, ацетил- и сукцинилкоферменты А, аминоацильные производные адениловой и рибонуклеиновых кислот и другие.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Креатинфосфат

Энергия, которая выделяется при распаде макроэргических соединений и за счет которой может быть совершена та или иная работа, используется не только для химического синтеза.

Она может служить в организме для теплообразования, свечения, накопления электричества, выполнения механической работы и т.

п. При этом химическая энергия преобразуется в тепловую, лучистую, электрическую, механическую и пр.