Обмен веществ. Биологическое окисление

1.

Обмен веществ.
Биологическое окисление

2.

• Обязательным
условием
жизни
является обмен веществ и энергии
между
живым
организмом
и
окружающей средой;
• Из внешней среды в организм
поступают
источники
энергии,
строительный материал для различных
синтезов,
витамины,
минеральные
вещества, вода, кислород;
• Из организма удаляются конечные
продукты
химических
процессов,
протекающих в организме: углекислый
газ, вода, аммиак (в форме мочевины).

3.

Метаболизм
• Метаболизм – совокупность всех
химических реакций, протекающих
во внутренней среде организма;
• Метаболизм в основном протекает
в клетках;
• Метаболизм составляют тысячи
разнообразных реакций;
• Большинство
реакций
метаболизма можно разделить на
два типа: реакции расщепления
(катаболизм) и реакции синтеза
(анаболизм);

4.

5.

• В обычных условиях катаболизм и
анаболизм протекают одновременно
и с примерно одинаковой скоростью;
• Следствием этого является
постоянное обновление химического
состава организма;
• У детей преобладают реакции
анаболизма, что приводит к накоплению
в организме разнообразных химических
соединений и, в первую очередь,
белков;
• Накопление белков в организме
является обязательным условием роста
и развития.

6.

Общая характеристика катаболизма
• В процессе катаболизма преобладают
реакции окисления;
• Реакции
окисления
протекают
с
потреблением молекулярного кислорода
(О2), поступающего из воздуха;
• Окисление
сопровождается
выделением энергии;
• Около половины энергии окисления
выделяется в виде тепла; другая часть
энергии аккумулируется в молекулах
АТФ

7.

Общая схема обмена веществ

8.

Пути использования АТФ в клетке
Как источник энергии
Процессы биосинтеза
Мышечное сокращение
Активный транспорт веществ через
мембраны
Неэнергетические функции
Медиатор в синапсах
Участвует в передаче наследственной
информации/ синтезе нуклеиновых кислот
Является эффектором некоторых ферментов
Участвует в синтезе циклического АМФ (цАМФ)

9.

II и III стадии обмена веществ
сопряжены с процессом биологического
окисления.
Окисление и последующий
синтез АТФ протекает в
митохондриях клеток и носит
название «Тканевое дыхание»
или «Митохондриальное
окисление».

10.

Митохондрии
Имеются во всех клетках, кроме красных
клеток крови;
Представляют
собой
вытянутые
микроскопические пузырьки
длиной
2-3 мкм и толщиной около 1 мкм
Количество митохондрий в клетках может
достигать тысячи и более и зависит от
потребности клеток в энергии;
В
мышечных
клетках
под
влиянием
систематических
тренировок
количество
митохондрий возрастает.
(1мкм = 1∙10-6 м);

11.

Строение
митохондрии

12.

• Митохондрии
окружены
двойной
мембраной;
• Внешняя мембрана гладкая, внутренняя
складчатая с большой поверхностью;
• Ферменты тканевого дыхания встроены
во
внутреннюю
мембрану
и
располагаются в ней в виде отдельных
скоплений,
называемых
дыхательными ансамблями;
• Благодаря
строго
упорядоченному
расположению
ферментов
в
дыхательных ансамблях, передвижение
электронов
в
дыхательной
цепи
происходит с большой скоростью.

13.

С
современных позиций биологическое
окисление
это отнятие от окисляемого
субстрата электронов и протонов атома
водорода и передача их на кислород по цепи
дыхательных ферментов
В
качестве субстратов окисления, т.е.
веществ, от которых отнимаются атомы
водорода,
являются
разнообразные
промежуточные продукты распада белков,
жиров и углеводов.
Чаще
всего окислению подвергаются
промежуточные
продукты цикла Кребса
(изолимонная, α-кетоглутаровая, янтарная и
яблочная кислоты).

14.

15.

Ферменты тканевого дыхания
Тканевое дыхание - сложный
ферментативный процесс;
Ферменты тканевого дыхания относятся
к классу оксидоредуктаз и делятся на
группы:
1. Никотинамидные дегидрогеназы
2. Флавиновые дегидрогеназы
3. Кофермент Q или убихинон
4. Цитохромы

16.

Никотинамидные дегидрогеназы
•Эти ферменты отнимают два атома водорода
от окисляемого вещества и временно
присоединяют их к своему коферменту НАД;
•НАД по строению является динуклеотидом,
содержащим витамин РР – никотинамид:
НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИД

17.

Первая стадия тканевого дыхания
2Н
S∙Н2 + НАД
Окисляемое
вещество
S + НАД∙Н+Н+
Окисленное
вещество

18.

Флавиновые дегидрогеназы
•Эти ферменты отщепляют два атома
водорода от образовавшегося НАД∙Н2
и временно присоединяют к своему
коферменту – ФАД или ФМН;
•ФАД / ФМН по строению являются
динуклеотидом / могонуклеотидом в
состав которых входит витамин В2 –
рибофлавин:
•ФМН
переносит
атомы
Н
на
следующий компонент дыхательной
цепи – убихинон (кофермент Q)

19.

20.

Вторая стадия тканевого дыхания
2Н
НАД∙Н2 + ФМН→НАД +ФМН∙Н2 Q H2

21.

Цитохромы
Участвуют только в переносе электронов;
Относятся к хроморотеидам, небелковой
частью которых является гем;
Гем - сложное циклическое соединение,
содержащее железо:

22.

• Железо, входящее в цитохромы, может
обратимо переходить из окисленной
формы (Fe3+) в восстановленную форму
(Fe2+):
Fe3+ + е
Fe2+
В
дыхательной
цепи
цитохромы
располагаются последовательно, друг за
другом и обозначаются латинскими буквами:
цитохром b, с, а и а3;
С участием цитохромов осуществляется
перенос
электронов
от
флавиновых
дегидрогеназ на молекулярный кислород.
Цитохром а3 непосредственно отдающий
электроны
на
кислород
называется
цитохромоксидазой

23.

Схема дыхательной цепи
Протоны водорода от восстановленного
кофермента
Q
минуя
цитохромы
присоединяются
к
отрицательно
заряженному кислороду и образуется
Н2О2

24.

25.

Однонаправленное
движение
электронов вызвано тем, что все
участники
дыхательной
цепи
располагаются по мере возрастания их
окислительно-восстановительных
потенциалов;
• Окислительно-восстановительный
потенциал,
или
редокс-потенциал,
характеризует
способность
молекул
принимать и удерживать электроны;
• Самой большой величиной редокспотенциала обладает кислород;
• В связи с этим кислород является
окончательным акцептором электронов.

26.

• Синтез АТФ из продуктов ее гидролиза
(АДФ
и
неорганического
фосфата)
называется фосфорилирование
• Синтез АТФ в участках дыхательной цепи
называется
окислительным
фосфорилированием;
• В дыхательной цепи имеются три таких
участка, где происходит
сопряжение
дыхания и фосфорилирования - синтез
АТФ:
при переносе электронов от НАД∙Н2
к ФМН и далее к убихинону (Q);
от цитохрома b к цитохрому c
от цитохрома а к цитохрому а3

27.

28.

Хемиосмотическая теория
П.Митчела
По схеме Митчела роль дыхания в синтезе АТФ ограничивается
созданием избытка Н+ на одной стороне мембраны по
сравнению с другой ее стороной. Дыхание как бы сгущает,
концентрирует ионы Н+ в одном из двух отсеков системы,
разделенных мембраной. Это означает, что оно совершает
осмотическую работу. Затем осмотическая энергия, накопленная
в виде разности концентраций ионов Н+ между левым и правым
отсеками (матриксом и межмембранным пространством)
расходуется на химическую работу, то есть на синтез АТФ.

29.

30.

31.

• Часто обозначается термином гидроксилирование;
• В гидроксилировании участвует витамин С

32.

33.

34.

Активная продукция и аккумуляция этих активных форм может
оказывать вредное действие при включении в окислительновосстановительные
реакции,
вызывая
повреждение
макромолекул, клеточных мембран и ДНК. Это может изменять
биологические свойства мембран, ферментов и рецепторов.
Продукты СРО могут инициировать перекисное окисление
липидов мембран клеток, окислять сульфгидрильные группы
молекул, разрушать пептидные связи, декарбоксилировать
аминокислоты, расщеплять нуклеиновые кислоты, то есть
приводить к такой оксидативной модификации биомолекул в
ткани, которая опосредует нарушение клеточных функций и
привести к ее гибели. Когда продукции или аккумуляция
свободных радикалов и активных форм кислорода и азота
превышает возможности внутриклеточной защиты от них,
возникает оксидативный стресс (ОС)
Гипоксия, гипероксия, предельные физические нагрузки,
эмоциональные стрессы, то есть факторы, характерные
практически для любой спортивной деятельности, являются
мощными индукторами свободно-радикального окисления (СРО)
в организме.

35.

Система антиоксидантной защиты (АОС) организма включает
некоторые
ферменты,
неэнзиматические
компоненты
и
транспортные белки, которые связывают прооксидантные
металлы, ингибируя их вовлечение в цепь биологического
окисления
Эндогенные
антиоксиданты
Основные
представители
Супероксиддисмутаза
Каталаза
Глутатионпероксидаза
Параоксаназа
Ферменты
Глутатион-Sтрансфераза
Глутатионредуктаза
Глутатион
Липоевая кислота
Билирубин
Неферметативные
Мелатонин
компоненты
Убихинол
Мочевая кислота
Витамин Е
Ферритин
Металлсвязывающие
Лактоферрин
белки
Металлотионеин
Трансферин
Церуплазмин
Системе глутатиона принадлежит оно
из
ведущих
мест
в
процессах
обезвреживания свободных радикалов,
а ее истощение ведет к активации
свободнорадикального окисления. В
организме
глутатион
представлен
двумя
основными
формами
восстановленной
и
окисленной.
Количество
восстановленного
глутатиона и активность ферментов,
поддерживающих
его
высокую
концентрацию
в
клетках
(глутатионредуктаза
и
глюкозо-6фосфатдегидрогеназа)
являются
лимитирующими факторами успешной
детоксикации.

36.

Тест 1
Молекулярный кислород (О2)
непосредственно используется в:
а)
б)
в)
г)
гликолизе
кроветворении
тканевом дыхании
трансаминировании

37.

Тест 2
В клетке тканевое дыхание протекает в:
а)
б)
в)
г)
митохондриях
рибосомах
цитоплазме
ядре

38.

Тест 3
Переваривание пищевых веществ
осуществляется путем:
а)
б)
в)
г)
гидролиза
окисления
тиолиза
фосфоролиза

39.

Тест 4
Для обеспечения всех своих потребностей
живой организм использует энергию:
а)
б)
в)
г)
внутриядерную
лучистую
тепловую
химическую

40.

Тест 5
Катаболизм является совокупностью
процессов:
а) изомеризации химических соединений
б) переноса молекул через мембраны
в) расщепления сложных молекул на
более простые
г) синтеза сложных молекул из простых

41.

Тест 6
В процессе катаболизма преобладают
реакции:
а)
б)
в)
г)
гидролиза
окисления
тиолиза
фосфоролиза

42.

Тест 7
Реакции катаболизма протекают
преимущественно с потреблением:
а)
б)
в)
г)
водорода
воды
кислорода
углекислого газа

43.

Тест 8
Анаболизм является совокупностью
процессов:
а) изомеризации химических соединений
б) переноса молекул через мембраны
в) расщепления сложных молекул на
более простые
г) синтеза сложных молекул из простых

44.

Тест 9
Молекулярный кислород расходуется
в реакциях:
а) гидролиза
б) окисления
в) изомеризации
г) синтеза

45.

Тест 10
В состав АТФ входят:
а) аденин, глюкоза и один фосфатный
остаток
б) аденин, рибоза и два фосфатных остатка
в) аденин, рибоза и три фосфатных остатка
г) аминокислота, дезоксирибоза и три
фосфатных остатка

46.

Тест 11
При гидролизе АТФ в физиологических
условиях выделяется энергия в количестве:
а)
б)
в)
г)
2-3 ккал
5-6 ккал
10-12 ккал
17-18 ккал

47.

Тест 12
Энергия АТФ необходима для реакций:
а)
б)
в)
г)
гидролиза
окисления
изомеризации
синтеза

48.

Тест 13
Взрослый человек, активно не выполняющий
физическую работу, расходует в течение суток:
а)
б)
в)
г)
400-500 г АТФ
2-3 кг АТФ
40-50 кг АТФ
100-120 кг АТФ

49.

Тест 14
В клетке цикл Кребса протекает в:
а)
б)
в)
г)
митохондриях
рибосомах
цитоплазме
ядре

50.

Тест 15
В процессе пищеварения белки
превращаются в:
а)
б)
в)
г)
аминокислоты
ацетил-кофермент А
жирные кислоты
кетоновые тела

51.

• Основной биологической
особенностью организма детей и
подростков является высокая
интенсивность обмена веществ;
• На биохимическом уровне это
проявляется высокими
скоростями протекания
метаболических реакций;

52.

• О высокой интенсивности
катаболизма в растущем организме
свидетельствуют такие показатели
как бόльшее потребление
кислорода и выделение
углекислого газа по сравнению с
взрослым (в расчете на кг массы
тела), бόльшая частота пульса и
дыхания, бόльшие теплопотери.

53.

• У растущего организма анаболизм по
своей скорости значительно превышает
катаболизм.
• В случае преобладания анаболизма
над катаболизмом происходит
накопление химических веществ в
организме и, в первую очередь,
белков;
• Накопление белков в организме обязательное условие его роста и
развития.

54.

• Основной показатель, указывающий
на преобладание анаболизма у детей и
подростков – положительный
азотистый баланс;
• Азотистый баланс - это соотношение
между азотом, поступающим в организм
с пищей, и азотом, выводимым из
организма в составе мочи, кала, пота,
слюны;

55.

• Взрослый человек при обычном
питании находится в состоянии
азотистого равновесия (азота
выводится столько, сколько
поступает с пищей)
• Это свидетельствует об одинаковой
скорости распада и синтеза белков.

56.

При положительном азотистом
балансе с пищей азота поступает
больше, чем выводится;
• В этом случае синтез белков протекает
с более высокой скоростью, чем их
распад;
• При отрицательном азотистом
балансе (азота выводится больше, чем
поступает) белков в организме
распадается больше, чем образуется;
• Отрицательный азотистый баланс
может быть при длительном белковом
голодании.

57.

• Положительный азотистый баланс
наблюдается у растущего организма,
а также у спортсменов, наращивающих
мышечную массу;
В результате такой направленности
метаболизма в процессе роста
мышечной ткани в ее клетках быстро
увеличивается содержание белков, в
том числе и сократительных- миозина
и актина.

58.

В связи с этим увеличивается
процентное отношение веса мышечной
ткани к весу тела:
у новорожденного на долю
мышечной ткани приходится около
23% веса тела,
у ребенка 8 лет- около 27%,
у подростка 15 лет- около 33%,
у юношей 17-18 лет - около 44%.

59.

• У взрослого человека все белки
обновляются за 100-120 дней , а в
детском возрасте гораздо быстрее;
• В связи этим суточная потребность
пищевых белках в растущем
организме значительно выше ,чем у
людей в зрелом возрасте.

60.

Суточная потребность в белках
у 2-5-летнего ребенка - 3,5 г/кг массы
тела
у 12-13-летнего -2,5 г/кг массы тела
у 15-летнего подростка -2 г/кг массы
тела
у человека в зрелом возрасте
составляет 1- 1,5 г белка на 1 кг массы
тела.

61.

• Интенсивный синтез белков и
нуклеиновых кислот в растущем
организме связан со значительным
расходом энергии;
• Большие энерготраты у ребенка
связаны также со значительной
двигательной активностью и
повышенными теплопотерями в связи
с несовершенством терморегуляции и
бόльшей поверхностью кожи, чем у
взрослого человека ( в расчете на кг
массы).

62.

• Такие значительные затраты энергии
у ребенка обеспечиваются аэробным
окислением, протекающим с высокой
скоростью в дыхательной цепи
митохондрий всех клеток организма;
• Причем, чем меньше возраст, тем
интенсивнее тканевое дыхание;

63.

• Об этом свидетельствует поглощение
кислорода, рассчитанное на 1 м2
поверхности тела;
у 3-х летнего ребенка поглощение
кислорода на 1 м2 поверхности тела
больше, чем у взрослого человека на
95% ,
у 6-летнего на 66% ,
у 9-летнего на 36% ,
у 12-летнего на 25 %.

64.

• Однако резервы аэробного
энергообразования у детей и
подростков не велики;
• Это связано с тем, что системы
организма, отвечающие за
энергообеспечение (дыхательная,
сердечно-сосудистая, эндокринная и др.)
функционируют почти на уровне своих
физиологических возможностей;

65.

• По мере роста и увеличения массы тела
работоспособность возрастает;
• Однако развитие отдельных
компонентов работоспособности
происходит неодинаково;
• Аэробная работоспособность у
детей невысокая, хотя тканевое дыхание
протекает в покое с более высокой
скоростью, чем у взрослых;
• Это обусловлено тем, что значительные
затраты энергии уходят на обеспечение
роста и развития ребенка;

66.

• С 9-10-летнего возраста наблюдается
интенсивное развитие аэробного пути
ресинтеза АТФ и его возможности
увеличиваются пропорционально
нарастанию веса тела;
• Наибольшее развитие аэробной
работоспособности отмечается только
к 20-25 годам – к периоду
физиологической зрелости организма.

67.

• Анаэробные способы образования
АТФ у детей и подростков также
развиты недостаточно;
• Так, у детей содержание
креатинфосфата в мышцах более
низкое, чем у взрослого, что в
значительной степени ограничивает
анаэробную алактатную
работоспособность ребенка;

68.

• С возрастом, с увеличением
мышечной массы, возможности этого
пути ресинтеза АТФ увеличиваются,
особенно усиленно развиваются
возможности креатинфосфатного пути
ресинтеза АТФ в возрасте 15-17 лет и
достигают наибольшего развития к 1920 годам;
• Сохраняется высокая алактатная
работоспособность обычно до 30летнего возраста, после чего
наблюдается ее снижение.

69.

• Анаэробная лактатная
работоспособность у детей и
подростков находится на более
низком уровне, чем у взрослого
человека, что обусловлено меньшими
запасами гликогена в мышцах и
высокой чувствительностью
организма детей и подростков к
повышению кислотности вследствие
накопления молочной кислоты.

70.

• Величина лактатного кислородного
долга и концентрации молочной кислоты
в крови у детей и подростков после
выполнения максимальных нагрузок на
уровне индивидуального рекорда
значительно меньше, чем у людей в
зрелом возрасте;
• Так, у 9-летнего ребенка мощность
работы, при которой наблюдается
наибольшая скорость гликолиза, на 60 %
меньше чем у человека в зрелом
возрасте, а максимальное накопление
при этом молочной кислоты в крови
в 2 раза меньше;

71.

• Начиная с 15-16 лет возможности
лактатного пути ресинтеза АТФ
увеличиваются пропорционально
нарастанию веса тела, и наибольшая
лактатная работоспособность
отмечается в возрасте 20-22 лет, а
затем быстро снижается.

72.

• Перечисленные особенности
биоэнергетики детей и
подростков обуславливают
сравнительно невысокую
выносливость, особенно при
выполнении скоростных нагрузок
лактатной направленности.

73.

• Исходя из приведенных особенностей
биоэнергетики растущего организма
можно понять, почему дети и
подростки сравнительно легко
выполняют кратковременные
интенсивные упражнения, а
интенсивные физические нагрузки
продолжительностью несколько минут
с большим трудом.

74.

• Вследствие несовершенства нервногормональной регуляции у детей и
подростков наблюдается невысокая
выносливость, особенно при
выполнении скоростных нагрузок
лактатной направленности;
• Игровой характер занятий, включение
элементов соревнований в занятия
позволяют существенно повысить
выносливость, особенно аэробную.

75.

• Восстановительные процессы после
мышечных нагрузок у детей и
подростков протекают в более
короткие сроки;
• Эта особенность восстановления
обусловлена тем, что, с одной
стороны, вследствие недостаточного
развития энергообеспечения у детей и
подростков после работы возникают
относительно незначительные
биохимические и физиологические
сдвиги;

76.

• С другой стороны, у растущего
организма синтетические процессы,
лежащие в основе восстановления,
протекают с более высокими
скоростями, чем у взрослых;
• Обязательным условием успешного
восстановления является полноценное
питание;
• Питание является основой
жизнедеятельности, обязательным
условием нормального роста и
развития растущего организма;

77.

Высокие физические и
эмоциональные нагрузки, свойственные
детям-спортсменам, предъявляют
особые требования к их питанию;
• Только в условиях правильно
организованного полноценного питания
возможно повышение эффективности
тренировочного процесса и рост
спортивной работоспособности детей и
подростков;

78.

• Однако питание детей и подростков и,
особенно занимающихся спортом,
имеет ряд особенностей;
• Так, энергозатраты у юных
спортсменов значительно выше, чем у
их сверстников, не занимающихся
спортом;
• При этом большие затраты энергии у
юных спортсменов вызваны не только
высокой двигательной активностью, но
и нервно-психическими перегрузками;

79.

• По данным В.А. Рогозкина и сотр. у
юных хоккеистов 11-13 лет суточные
затраты энергии около 3600 ккал,
а в возрасте 14-17 лет - 3900 ккал;
• По данным этих же авторов, в
среднем у юных спортсменов
энергетические затраты,
направленные на двигательную
деятельность, составляют 34-38 % от
общего расхода энергии за сутки;

80.

• Другой особенностью питания юных
спортсменов является необходимость
получения с пищей повышенного
количества белков – 2-2,5 г на кг массы
тела, в то время как у зрелого
организма потребность в белках 1-1,5 г/кг массы тела;
• Считается, что доля белков
животного происхождения должна
быть не менее 60 % от всех пищевых
белков;

81.

• Высокая интенсивность обмена
веществ обуславливает повышенную
потребность организма юных
спортсменов в витаминах;
• Однако за счет естественного питания
не всегда удается удовлетворить ее
(особенно зимой и весной, а также в
периоды интенсивных тренировок и
соревнований);
• В этих случаях хороший эффект дает
прием поливитаминных препаратов

82.

• У юных спортсменов также
отмечается повышенная потребность
в минеральных веществах, которые
необходимы для нормального роста и
развития растущего организма;
• В частности, потребление железа,
необходимого для обеспечения
процесса кроветворения, в
подростковом возрасте примерно
в 1, 5 раза выше, чем у взрослого
человека;

83.

• Для юных спортсменов обычно
рекомендуется повышенная
кратность приема пищи – 5-6 раз в
сутки;

84.

• Еще одной особенностью питания
юных спортсменов является
применение биологически активных
пищевых добавок;
• Необходимость использования
таких продуктов вызвана тем, что
высокую потребность спортсменов в
белках, углеводах, витаминах и солях
очень сложно удовлетворить за счет
традиционного питания;